阅读说明：本技术 飞行器通用电力转换器 ([db:专利名称-en]) 是由 K·卡里米 S·刘 D·王 F·德里恩 Q·唐 D·古 D·恰尔科夫斯基 K·卡拉卡 于 2014-07-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了飞行器通用电力转换器和适用于飞行器的电源系统。该电源系统将来自未调节直流电源的电力转换为多个交流和直流电压输出。该电源系统包括交错降压转换器、交错全桥转换器、交错逆变器以及控制系统。在一种配置中，交错逆变器使用由交错四桥转换器产生的高压直流电作为其电力输入，从而产生高压交流电输出。([db:摘要-en])

飞行器通用电力转换器

本申请是申请日为2014年7月18日的名称为“飞行器通用电力转换器”的中国专利申请201410344706.X的分案申请。

背景技术

在飞行器的分布式电力系统中使用来自燃料电池或者其他未调节电源的低压、未调节直流输出电力是新兴的技术。当前的飞行器电力系统使用集中式发电系统，例如使用引擎驱动的发电机，其典型的电压为115伏的交流电或230伏的交流电。飞行器的应急备用电源可使用低压电池。然而，这种备用电力系统不使用电力转换器，因为所述电池只能用来支持局部电力总线。

燃料电池可以被用作飞行器上的辅助电源来传送局部和/或峰值电力。它们也可被用作应急电力的来源。然而，燃料电池提供未调节直流电压，该未调节直流电压会随着负载从低负载到满负载操作而发生多达50％的变化。因此，单独的燃料电池并不是在当前飞行器中使用的引擎驱动发电机的有效替代品，因为它们不能提供直流和交流电压的不同水平和配置。

发明内容

本发明公开了适于飞行器使用的电源系统。该电源系统经配置将来自未调节直流电源诸如燃料电池的电力转换为多个交流和直流电压输出。这种电源系统包括交错降压转换器、交错全桥转换器、交错逆变器和控制系统。交错降压转换器经配置使用直流电源电力来产生已调节低压直流电输出。交错全桥转换器经配置使用直流电源的电力来产生高压直流电输出。交错逆变器经配置使用未调节直流电源的电力来产生高压交流电输出。控制系统经配置控制交错降压转换器来产生已调节低压直流电输出，控制交错全桥转换器来产生高压直流电输出，并且控制交错逆变器来产生高压交流电输出。在一种配置中，交错逆变器使用交错四桥转换器的高压直流电输出作为其电力输入从而产生高压交流电输出。

另外，本公开包括根据以下条款的实施例：

条款1.一种经配置将来自未调节直流电源的电力转换为多个交流和直流电压输出的电源系统，所述电源系统包括：

交错降压转换器，其经配置使用所述未调节直流电源的电力来产生已调节低压直流电输出；

交错全桥转换器，其经配置使用所述未调节直流电源的电力来产生高压直流电输出；

交错逆变器，其经配置使用所述未调节直流电源的电力来产生高压交流电输出；以及

控制系统，其经配置控制所述交错降压转换器来产生所述已调节低压直流电输出，控制所述交错全桥转换器来产生所述高压直流电输出，并且控制所述交错逆变器来产生高压交流电输出。

条款2.根据条款1所述的电源系统，其中来自所述交错全桥转换器的高压直流电被提供到所述交错逆变器的输入端。

条款3.根据条款1所述的电源系统，其中所述控制系统包括：

第一控制器，其经配置控制所述交错降压转换器；

第二控制器，其经配置控制所述交错全桥转换器；

第三控制器，其经配置控制所述交错逆变器；以及

监督控制器，其经配置控制所述第一、第二和第三控制器的操作。

条款4.根据条款3所述的电源系统，其中所述监督控制器响应多个控制信号来控制所述第一、第二和第三控制器的操作。

条款5.根据条款1所述的电源系统，其中所述控制系统进一步经配置操作所述交错逆变器从而闭合和断开所述高压直流电输出。

条款6.根据条款1所述的电源系统，其中所述未调节直流电源包括燃料电池。

条款7.根据条款6所述的电源系统，其中所述燃料电池经配置提供未调节直流电力给EMI滤波器。

条款8.根据条款7所述的电源系统，其中所述的EMI滤波器为所述交错降压转换器和所述交错全桥转换器所共用。

条款9.根据条款1所述的电源系统，其中所述交错降压转换器包括：

多个并联的降压转换器，其提供相应的数量为X的多个电压相位给输出电容器；并且

其中，所述控制系统驱动所述多个降压转换器，以使得所述多个电压相位相对于彼此以360/X的角度交错。

条款10.根据条款1所述的电源系统，其中所述交错全桥转换器包括：

多个全桥单元，其经配置接收相应的PWM控制信号，其中每个全桥单元产生相应的相位电压以供相应的整流电路整流；

第一滤波器电路，其中所述全桥单元中的第一对与所述第一滤波器电路并联；以及

第二滤波器电路，其中所述全桥单元中的第二对与所述第二滤波器电路并联，其中所述第一和第二滤波器彼此串联，并具有共同节点。

条款11.根据条款1所述的电源系统，其中所述交错逆变器包括三相四桥臂交错逆变器。

条款12.根据条款1所述的电源系统，其中所述低压直流电输出在所述电源系统的低压直流电力总线上提供32伏的直流电压，所述高压直流电输出在所述电源系统的高压直流电力总线上提供+/-270伏的直流电压和/或540伏到800伏的直流电压，且高压交流电输出在高压交流电力总线上提供230或115伏的交流电压。

条款13.一种飞行器电源系统，其包括：

多个系统控制信号；

低压直流电力总线，其经配置为所述飞行器分配低压直流电力；

高压直流电力总线，其经配置为所述飞行器分配高压直流电力；

高压交流电力总线，其经配置为所述飞行器分配高压交流电力；

未调节直流电源；

交错降压转换器，其经配置使用所述未调节直流电源的电力来产生已调节低压直流电输出，从而提供给所述低压直流电力总线；

交错全桥转换器，其经配置使用所述未调节直流电源的电力来产生高压直流电输出，从而提供给所述高压直流电力总线；

交错逆变器，其经配置使用所述未调节直流电源的电力来产生所述高压交流电力总线上的高压交流电输出；以及

控制系统，其经配置响应于所述多个系统控制信号来控制所述交错降压转换器、所述交错全桥转换器和所述交错逆变器。

条款14.根据条款13所述的飞行器电源系统，其中所述交错全桥转换器进一步经配置将所述高压直流电输出作为电源提供给所述交错逆变器。

条款15.根据条款13所述的飞行器电源系统，其中所述控制系统包括：

第一控制器，其经配置控制所述交错降压转换器；

第二控制器，其经配置控制所述交错全桥转换器；

第三控制器，其经配置控制所述交错逆变器；以及

监督控制器，其响应所述多个系统控制信号来控制所述第一、第二和第三控制器的操作。

条款16.根据条款13所述的飞行器电源系统，其中所述未调节直流电源包括燃料电池。

条款17.根据条款16所述的飞行器电源系统，其中所述燃料电池向EMI滤波器提供未调节直流电输出电力。

条款18.根据条款17所述的飞行器电源系统，其中所述EMI滤波器为所述交错降压转换器和所述交错全桥转换器所共用。

条款19.根据条款13所述的飞行器电源系统，其中所述交错降压转换器、所述交错全桥转换器和所述交错逆变器经配置作为被定位在所述飞行器的尾部、所述飞行器的前部或所述飞行器的中部的单一单元。

条款20.一种用于电源的控制系统，其包括：

第一控制器，其经配置控制交错降压转换器；

第二控制器，其经配置控制交错全桥转换器；

第三控制器，其经配置控制交错逆变器；以及

监督控制器，其经配置响应于多个控制信号来控制所述第一、第二和第三控制器的操作。

条款21.根据条款20所述的控制系统，其中所述监督控制器经配置引导所述交错全桥转换器停止以第一操作模式产生高压交流电，并引导所述交错全桥转换器以第二操作模式产生高压交流电。

条款22.一种用于产生多个已调节飞行器供应电压的方法，所述方法包括：

从直流电源中提供未调节低压直流输出电力；

利用由所述直流电源提供的电力来产生已调节低压直流电，其中所述已调节低压直流电是使用交错降压转换器产生的；

利用由所述直流电源提供的电力来产生已调节高压交流电，其中所述已调节高压交流电是利用交错逆变器产生的；以及

利用由所述直流电源提供的电力来产生已调节高压直流电，其中所述已调节高压直流电是利用交错全桥转换器产生的。

条款23.根据条款22所述的方法，其中所述已调节高压交流电是利用所述已调节高压直流电来产生的。

条款24.根据条款23所述的方法，其中所述交错全桥转换器的输出经配置将所述已调节高压直流电作为输入电力提供给所述交错逆变器。

条款25.根据条款22所述的方法，其中所述已调节高压交流电是三相输出。

条款26.根据条款22所述的方法，其中所述已调节高压交流电是单相输出。

条款27.根据条款22所述的方法，其中所述已调节高压直流电具有+/-270伏的直流电压和/或540伏到800伏的直流电压。

条款28.一种飞行器，其包括根据权利要求1所述的系统。

附图说明

图1是适用于飞行器的电力系统的框图。

图2是通用电力转换器的一个示例的框图。

图3示出图2中所示的EMI滤波器的构造的一个示例。

图4是可以在图2所示的通用电力转换器中使用的控制系统的框图。

图5示出可以在图2的通用电力转换器中使用的降压转换器电路拓扑结构的一个实施例。

图6示出可以在图2的通用电力转换器中使用的交错全桥转换器拓扑结构的一个实施例。

图7示出可以在图2的通用电力转换器中使用的交错逆变器电路拓扑结构的一个实施例。

图8提供通用电力转换器可以被放置在飞行器中的哪些位置的示例。

具体实施方式

图1是适用于飞行器的电力系统10的框图。然而，电力系统10不限于飞行器，其也可以在未调节直流电源被用来产生多个已调节交流和直流电力输出的各种环境中使用。

在图1的电力系统10中，通用电力转换器15经配置接收来自直流电源诸如燃料电池20的未调节直流电力。这种燃料电池通常提供在35伏到60伏的直流电压之间的未调节直流电压。通用电力转换器15可由被集成为单个电源转换单元的多个独立的供应单元形成。

通用电力转换器15经配置将由直流电源诸如燃料电池20提供的未调节低压直流电输出电力转换成包括交流和直流电压输出的多个已调节飞行器电压。在本文中，高压交流电在供应输出端25处被提供，并且根据相应的供应单元的配置，其可以为单相输出或三相输出。当针对飞行器配置时，供应输出端25处的高压交流电可以是单相230伏的交流电、三相230伏的交流电、单相115伏的交流电或三相115伏的交流电。在每一个情形中，飞行器的高压交流电可具有约400Hz的频率。供应输出端25处的高压交流电被分配给高压交流电电力总线27上的飞行器的其他部分。

存在两种由通用电力转换器15提供的已调节直流电压。低压已调节直流电在供应输出端30处被提供，并且当在飞行器电力系统中使用时，其可以是约为32伏的直流电。供应输出端30处的低压直流电被分配给低压直流电力总线33上的飞行器的其他部分。高压直流电在供应输出端40处被提供。在飞行器中，高压直流电可具有多个直流电压水平。例如，高压直流电可为相对于公共电平的+/-直流电压的水平。不同的飞行器使用约为+/-270伏直流电的电压水平。或者不参考公共电压，高压直流电可以处于在540伏到800伏的端对端直流电压之间的电压水平。供应输出端40处的高压直流电被分配给高压直流电力总线43上的飞行器的其他部分。

通用电力转换器15的一个示例在图2中的框图中示出。图2中所有的独立供应单元都具有交错的拓扑结构，这有利于供应单元隔离。交错结构也有助于减少从燃料电池汲取高频电流脉冲，否则汲取高频电流脉冲会降低燃料电池的性能并减少其使用寿命。交错结构进一步允许减小每个供应单元上使用的EMI滤波器的尺寸，以使得通用电力转换器15可满足严格的飞行器发射要求。再进一步，当使用独立供应单元的交错结构时，通用电力转换器15的重量相对较轻。

在图2中，燃料电池20的输出被提供给EMI滤波器45的输入。EMI滤波器45的输出为交错降压转换器50和交错全桥转换器55所共用。虽然没有要求，但是针对交错降压转换器50和交错全桥转换器55使用单个EMI滤波器45削减了在通用电力转换器15中所使用的元件的数目。这降低了通用电力转换器15的复杂性，并产生了低重量。通用电力转换器15的重量的减少在飞行器中是期望的。

图3中示出EMI滤波器45的构造的一个示例。EMI滤波器45清除了来自燃料电池20的不需要的噪音。同时，电容器C_X和EMI滤波器扼流圈的L1和L2漏电感限制差模噪声，线路对地(line-to-ground)电容器C_Y消除共模噪声。

再次参考图2，交错降压转换器50通过相应的EMI滤波器60向供应输出端30提供已调节低压直流电。再次，在飞行器上，已调节低压直流电可以是约为32伏的直流电。

交错全桥转换器55使用在EMI滤波器45的输出端处的直流电力来产生高压直流电,从而在供应输出端40处提供。高压直流电可以处于公共中心参考的+/-直流电压，或者可以位于不参考公共电压的更高的端对端直流电压处。当在飞行器上使用通用电力转换器15时，高压直流电压关于公共电压可以是约为+/-270伏的直流电压。或者高压直流电可以在540伏到800伏的端对端直流电压之间。交错全桥转换器55的输出可以被传递到EMI滤波器65的输入，该EMI滤波器65提供高压直流电给供应输出端40。

根据交错逆变器的配置，高压交错逆变器70经配置将其输入端处的高压直流电转换为其输出端处的单相或三相高压交流电。在本示例中，高压交流电可以被控制以使得其为第一电压水平或第二电压水平。在图2中，第一电压水平约为115伏的交流电，而第二电压水平更高，约为230伏的交流电。本文中，为了飞行器中的使用，第二电压水平约为第一电压水平的两倍。如示出的，交错逆变器70的输出被提供给进一步的EMI滤波器75的输入，该EMI滤波器75向通用电力转换器15的供应输出端40提供高压交流电。

通用电力转换器15也包括控制系统80。控制系统80经配置：1)控制交错降压转换器50以产生已调节低压直流电；2)控制交错全桥转换器55以产生高压直流电；以及3)控制交错逆变器70以产生高压交流电。因为所有的这些单元都是交错供应单元，因此控制系统80可易于配置由这些单元提供的电压输出水平和交流电相位，从而匹配电力总线上的负载的需求。这可通过引导控制系统80调整每个供应单元的PWM控制信号从而有效地闭合和断开该供应单元并改变其输出端的电压水平来实现。

图4是控制系统80的方框图。该系统架构被功能性地划分为四个单元：监督控制器85；降压转换器控制器95(第一控制器)；全桥转换器控制器120(第二控制器)；以及逆变器控制器105(第三控制器)。可在单个微控制器芯片、计算机或多个芯片上实现控制单元80。

在该例中，监督控制器85响应多个系统控制信号来控制第一、第二和第三控制器的操作。更特别的是，监督控制器85从其他飞行器系统接收控制信号90。控制信号90可诸如对应于检测到的飞行器电力总线27、33和43上的负载需要。此外，控制信号90可对应于诸如飞行器驾驶舱中的开关的人工操作。

监督控制器85与分别与每个供应单元关联的各个控制器通信。由监督控制器85提供的控制信号可以被各个控制器用来闭合和断开相应的供应单元，并设定供应单元的电压输出水平。

图4中描述监督控制器85和其他供应单元控制器之间的通信路径。如图所示，降压转换器控制器95沿着通信路径100接收来自监督控制器85的控制信号，其中控制信号被降压转换器控制器95用来产生PWM控制信号，从而控制交错降压转换器50。交错逆变器控制器105沿着通信路径110接收来自监督控制器85的控制信号，其中控制信号被交错逆变器控制器105用来产生控制交错逆变器70的操作的PWM控制信号。全桥逆变器控制器120沿着通信路径125接收来自监督控制器85的控制信号，其中控制信号被全桥转换器控制器120用来产生控制交错全桥转换器55的操作的PWM控制信号。

参考图2，实现通用电力转换器15从而减少用于获得供应输出电压所实施的供应单元的数量。为此，交错全桥转换器55的输出被提供到交错逆变器70的输入以及供应输出端40。然而，供应输出端25处的高压交流电和供应输出端40处的高压直流电是以互相排斥的方式被提供的。

在第一操作模式中，飞行器电源系统经配置以使得通用电力转换器15在供应输出端30处提供低压直流电(例如，32伏的直流电)，并在供应输出端40处提供高压直流电(例如，+/-270伏或者540伏到800伏的直流电)。然而，在第一操作模式中，高压交流电力总线27上的负载从通用电力转换器15有效地断开，这使得来自交错全桥转换器55的所有直流电力在供应输出端40处对高压直流电力总线43可用。交错逆变器70可以由控制系统80引导，以有效地中断第一操作模式中最次要的发电活动之外的所有发电活动。

在第二操作模式中，飞行器电源系统经配置以使得通用电力转换器15在供应输出端30处提供低压直流电(例如，32伏直流电压)，并在供应输出端25处提供高压交流电(例如，230伏或1150伏、单相或三相的交流电)。然而，在第二操作模式中，高压直流电力总线43上的负载从通用电力转换器15有效地断开，这使得交错全桥转换器55的所有直流电力都可用于交错逆变器70，从而转换为用于在高压交流电力总线27上提供的高压交流电。在该配置中，不需要中间的高压直流转换器向交错逆变器70提供输入电力，减小了通用电力转换器15的复杂性和重量。

图5示出具有并联的降压转换器的降压转换器电路拓扑结构的一个实施例。多个并联的降压转换器提供相应的数量为X的多个电压相位给输出电容器。控制系统驱动多个降压转换器，使得多个电压相位相对彼此以360/X度交错。

在该示例中，六个降压转换器被并联并共用公共输入电容器140和输出电容器145。每个降压转换器都具有MOSFET(每个MOSFET在MOSFET群组150中被示出)、二极管(每个二极管在二极管群组155中被示出)和专用电感器(每个专用电感器在感应器群组160中被示出)。所述感应器160被连接到电路输出端处的公共节点170。每个电感器的电流输出由相应的电流传感器监控，电流传感器将其相电流测量值提供给降压转换器控制器95的控制总线167。与降压转换器的输出电压相对应的电压也被提供到控制总线167上的降压转换器控制器的输入端。

沿着通信路径100的相电流、输出电压和控制信号被降压转换器控制器95用来产生PWM控制信号165，其中每个控制信号都与相应的降压转换器关联。这六个相位以60度交错从而减少输入和输出电流纹波。这种设置也减小了MOSFET器件上的电流和热应力。在飞行器系统中，低压直流电输出被调节为32伏的直流电，并对所有六个相位进行均流控制。

图6示出具有多个全桥单元的交错全桥转换器拓扑结构的一个实施例，其中，每个全桥单元产生相应的相电压以便由相应的整流电路整流。在这个示例中，转换器是包括四个全桥单元和两组滤波器250和255的三相四桥臂交错逆变器转换器拓扑结构。四个全桥单元中的一个被点划线包围并由参考标识245指定。每个全桥单元包括四个MOSFET，一个高频变压器和两个整流器二极管。全桥转换器控制器120产生交错的PWM控制信号来驱动四个全桥单元。PWM控制信号由全桥转换器控制器编号120响应于由监督控制器85提供的控制信号、由设置在每个滤波器250和255的输出端处的电流传感器提供的电流反馈信号、以及对应于每个滤波器250和225的输出的两端的电压的电压反馈信号而产生。

全桥单元的所有四个相在其输入侧被并联到EMI滤波器45。这些相以45°交错，从而最小化从燃料电池20汲取的输入电流纹波。这些相的输出被串联从而提升相之间的均流。

在图6中，全桥单元中的两个以90°交错从而产生+270伏的直流电输出，而另外两个全桥单元也相对于彼此以90°交错从而产生-270伏的直流电输出。输出被串联从而使输出电压加倍、最小化输出电压纹波以及均匀地分流。在操作中，+/-270伏直流电压是相对公共节点260产生的。在监督控制器85的引导下，全桥转换器控制器120也可控制全桥单元的操作从而在终端节点265和270之间产生电压水平在大约540伏到800伏之间的高压直流电。

图7示出交错逆变器电路拓扑结构的一个实施例。在本示例中，交错逆变器70接收来自交错全桥转换器55的输入电力。从全桥转换器55提供的输入电力可以具有大约在540伏到800伏直流电之间的电压水平。本文中，交错逆变器70将来自全桥转换器55的高压直流电转换为三相高压交流电，该三相高压交流电在约400Hz处具有约230伏交流电压的相对中性点电压的电压水平。

交错逆变器拓扑结构包括两个开关组280和285，四个电池间变压器T1–T4和三个滤波器器电容器组。每个开关组包括四个半桥臂。驱动开关组的PWM控制信号以180°交错。两个开关组280和285的相同相通过相应的电池间变压器T1–T4平行。

逆变器控制器105基于沿着通信总线110从监督控制器85接收的控制信号来产生PWM控制信号。逆变器控制器也响应于：1)沿着线路305提供的相对中性点电压反馈；2)沿着线路310提供的相电流反馈；以及3)沿着线路315的差分电流反馈来产生PWM控制信号。相应的电流传感器与每个电池间变压器T1–T4关联。

图8提供这样的示例，其中通用电力转换器15可被放置在飞行器320中以便在提供已调节飞行器供应电压的飞行器电源系统中使用。在本文中示出用于通用电力转换器15的三个位置：1)飞行器320的前部325，例如靠近驾驶舱；2)飞行器320的中部330，靠近引擎/机翼；以及3)飞行器320的尾部335，例如靠近APU。单个通用电力转换器15可设置在这些位置中的任一个上，或者多个通用电力转换器可设置在这些位置中的一个以上的位置上。根据飞行器320的设计，其他的位置同样合适。交错降压转换器、交错全桥转换器和交错逆变器可被配置为定位在这些位置中任何一个上的单一单元。此外，或替换地地，交错降压转换器、交错全桥转换器和交错逆变器可以作为独立的单元被分布在整个飞行器320上。