專利名稱：雙向降壓－升壓功率變換器、電起動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制交流電機(jī)的輸出的方法，尤其涉及用于控制電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)的輸出的降壓—升壓功率變換器。
背景技術(shù)：
為小尺寸優(yōu)化的高速交流電機(jī)具有很高的交流阻抗。在穩(wěn)態(tài)操作期間，當(dāng)通過(guò)整流器向直流負(fù)載產(chǎn)生功率時(shí)，高的交流阻抗不是一個(gè)主要問(wèn)題。然而，當(dāng)突然施加或去除負(fù)載時(shí)，高的交流阻抗成為一個(gè)問(wèn)題。事實(shí)就是這樣，因?yàn)樨?fù)載的施加或去除導(dǎo)致從整流器施加到負(fù)載上的直流電壓變化非常大，但這是不可接受的。
解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是在整流器的輸出端使用一個(gè)大的電容組來(lái)提供或者吸收瞬態(tài)能量。然而，大的電容組增加了尺寸和重量，這在必須盡可能限制尺寸和重量的系統(tǒng)里是一個(gè)問(wèn)題。因此，仍然需要對(duì)其進(jìn)行改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種典型實(shí)施例包括一個(gè)雙向降壓—升壓功率變換器，所述雙向降壓—升壓功率變換器包括一對(duì)設(shè)置在電機(jī)輸出端的半橋逆變器模塊和一個(gè)連接在該對(duì)半橋逆變器模塊之間的電感。
在本發(fā)明的另一典型實(shí)施例中，一個(gè)雙向降壓—升壓功率變換器包括一對(duì)設(shè)置在電機(jī)輸出端的全橋逆變器模塊和一個(gè)連接在該對(duì)全橋逆變器模塊之間的變壓器。
在本發(fā)明的另一典型實(shí)施例中，一個(gè)電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)(ESG)系統(tǒng)被配置成在起動(dòng)操作期間向飛機(jī)引擎或渦輪機(jī)提供機(jī)械功率；并且被配置成在發(fā)電機(jī)操作期間把來(lái)自渦輪機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率。該ESG系統(tǒng)包括一個(gè)與主要負(fù)載機(jī)械耦合并且被配置成提供交流(AC)電壓的同步起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)、一個(gè)與該同步起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)電連接并且被配置成把交流電壓變換為直流電壓的逆變器/整流器以及一個(gè)雙向降壓—升壓功率變換器。該雙向降壓—升壓功率變換器被配置成執(zhí)行下列多個(gè)操作中的每一個(gè)在瞬態(tài)操作期間逐步提高輸出電壓、在瞬態(tài)操作期間逐步降低輸出電壓、在穩(wěn)態(tài)操作期間逐步提高輸出電壓、在穩(wěn)態(tài)期間逐步降低輸出電壓。
在本發(fā)明的一種方法實(shí)施例中，提出了一種用于控制一個(gè)具有逆變器整流器和雙向降壓—升壓變換器的交流電機(jī)起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)的輸出電壓的方法，該方法包括當(dāng)該起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式時(shí)，輸出一個(gè)由該雙向降壓—升壓脈寬調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)控制的直流電壓。


根據(jù)本發(fā)明給出的說(shuō)明性實(shí)施例，可以充分體現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)、本質(zhì)以及各種其它特性，本發(fā)明的原理是參照

的，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的降壓—升壓功率變換器的簡(jiǎn)圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的降壓—升壓功率變換器的簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
我們將參照附圖進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)解釋，附圖不以任何方式限制本在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在交流電機(jī)/逆變器/整流器系統(tǒng)的輸出端配置兩個(gè)雙向降壓—升壓變換器，以便對(duì)于起動(dòng)或者發(fā)電允許沿任一方向的受控功率流，同時(shí)能夠?qū)ν蝗坏呢?fù)載變化進(jìn)行快速瞬態(tài)響應(yīng)。因?yàn)殡妷嚎梢栽谌我环较蚪档突蛘呱?，所以通過(guò)降壓—升壓變換器的控制可以在突然施加負(fù)載或者突然去除負(fù)載期間保持輸出電壓。
參照?qǐng)D1描述一種雙向降壓—升壓功率變換器實(shí)施例。盡管其適用于直流電機(jī)和交流電機(jī)，但是參照?qǐng)D1討論的示例性雙向降壓—升壓功率變換器電路13是為交流電機(jī)配置的。圖1示出了一個(gè)交流電機(jī)10，在其輸出端具有一個(gè)三相逆變器/整流器11。直流鏈路濾波器電容C1并聯(lián)在逆變器/整流器11的輸出端，而電容C2并聯(lián)在直流總線的輸出端。在電容C1和C2之間的是降壓—升壓電路13，其包括兩個(gè)半橋逆變器模塊14、15以及一個(gè)電感LO。包含在半橋逆變器模塊14內(nèi)部的是晶體管QA和QB以及與晶體管QA和QB相關(guān)聯(lián)的反向并聯(lián)二極管DA和DB。半橋逆變器模塊15包括晶體管QC和QD以及與晶體管QC和QD相關(guān)聯(lián)的反向并聯(lián)二極管DC和DD。
由逆變器/整流器11向降壓—升壓變換器電路13提供輸入，該逆變器/整流器11對(duì)交流電機(jī)10的輸出功率進(jìn)行變換。圖1所示的是一個(gè)繞場(chǎng)(woundfield)同步電機(jī)，但是也可以使用許多其它類型的交流電機(jī)，例如永磁式或者感應(yīng)式交流電機(jī)。
下表說(shuō)明了在系統(tǒng)操作期間降壓—升壓變換器電路13中的哪些設(shè)備操作在哪些模式下，該系統(tǒng)采用一個(gè)繞場(chǎng)電機(jī)，從而在穩(wěn)態(tài)下使用場(chǎng)控制來(lái)調(diào)節(jié)直流輸出(如圖1所示的270Vdc)。
表

現(xiàn)在我們討論圖1所示的降壓—升壓變換器電路13的操作，假設(shè)繞場(chǎng)同步電機(jī)利用場(chǎng)控制來(lái)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)，如表中所述的那樣。在表中，“導(dǎo)通”指設(shè)備完全打開(kāi)，“斬波”指設(shè)備被靈敏地打開(kāi)或關(guān)斷，“開(kāi)關(guān)”指二極管操作在開(kāi)關(guān)模式下。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，可以在任一方向?qū)β蔬M(jìn)行處理(即起動(dòng)或發(fā)電)，并且可以在任一方向?qū)﹄妷哼M(jìn)行降低(或減小)或者提升。例如，將電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)配置成在起動(dòng)模式下起動(dòng)飛機(jī)引擎，以及在穩(wěn)態(tài)操作(發(fā)電模式)期間向輔助系統(tǒng)提供電功率。對(duì)于該示例性電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)，在起動(dòng)操作中將功率沿第一方向提供給渦輪機(jī)(例如飛機(jī)引擎)，在發(fā)電模式中將功率沿反方向提供給輔助系統(tǒng)。有利地，雙向降壓—升壓功率變換器13被配置成在兩個(gè)方向上(在起動(dòng)操作期間提供給渦輪機(jī)，在發(fā)電機(jī)操作期間提供給輔助系統(tǒng))對(duì)由電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)供給的電壓進(jìn)行降低(逐步降低)和提升(逐步升高)。
在發(fā)電模式期間，晶體管QA和二極管DC導(dǎo)通，并且將整流器輸出提供給在降壓—升壓變換器電路輸出端處的負(fù)載。在發(fā)電模式期間，通過(guò)控制所述同步電機(jī)的直流場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在負(fù)載施加模式期間，晶體管QA導(dǎo)通，晶體管QD處于斬波狀態(tài)，二極管DC處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且為了在瞬態(tài)期間將輸出直流電壓維持在可接受的范圍內(nèi)(即限制輸出電壓下沖)而提升主整流器輸出。在負(fù)載抑制模式期間，晶體管QA處于斬波狀態(tài)，二極管DB處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，二極管DC導(dǎo)通，并且為了在瞬態(tài)期間將輸出直流電壓維持在可接受的范圍內(nèi)(即限制輸出電壓過(guò)沖)而降低主整流器輸出。在起動(dòng)模式期間，晶體管QC處于斬波狀態(tài)，二極管DA導(dǎo)通，二極管DD處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主逆變器在六步模式下操作，并且270VDC被降低。
因?yàn)殡妷嚎梢栽谌我环较蛏媳唤档突蛱嵘栽谑┘踊蛉コ?fù)載期間，所述降壓—升壓變換器可以維持輸出電壓。
此外，因?yàn)橛山祲骸龎鹤儞Q器電路來(lái)控制電壓偏移(過(guò)沖和下沖)，所以與上面針對(duì)相關(guān)技術(shù)描述的方法相比較，直流鏈路濾波器電容的尺寸可以減小。此外，在相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)中，電容用于存儲(chǔ)能量，但是在本發(fā)明的實(shí)施例中，電容C1和C2主要是高頻旁路電容，其用來(lái)去除輸出中的波紋。
主逆變器/整流器/變換器電路可以操作在“六步”模式下，雙向降壓—升壓電路可以操作在脈寬調(diào)制(PWM)模式下，以便在起動(dòng)期間(即驅(qū)動(dòng)作為電動(dòng)機(jī)的交流電機(jī))提供一個(gè)與電機(jī)頻率成正比的直流鏈路電壓，與傳統(tǒng)系統(tǒng)中所需的帶有完全直流總線電壓的逆變器的正弦PWM操作相比，這樣可以大大減少逆變器的開(kāi)關(guān)損耗。在起動(dòng)期間，將降壓—升壓變換器電路操作在PWM模式下以產(chǎn)生直流鏈路電壓會(huì)導(dǎo)致較低的電流波紋和較低的功耗。
如果將直流鏈路總線控制成幅度可變的，那么為了減少開(kāi)關(guān)損耗，與電機(jī)連接的變換器也可以操作在“脈沖幅度模式”下。為此，所述變換器將作為標(biāo)準(zhǔn)PWM變換器被開(kāi)關(guān)或者具有恒定的占空比，同時(shí)直流總線與電機(jī)速度成正比地變化。電流調(diào)節(jié)器的帶寬將取決于降壓—升壓變換器能夠以多快的速度改變電壓。此外，對(duì)于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的情況，如前面所述，逆變器可以操作在“六步”模式下(方波)，其中利用電流調(diào)節(jié)來(lái)改變降壓—升壓變換器電路的輸出電壓。
對(duì)于利用場(chǎng)控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出的繞場(chǎng)同步電機(jī)，不需要降壓—升壓電路的PWM斬波動(dòng)作來(lái)控制輸出。換句話說(shuō)，晶體管QA被門控制為完全打開(kāi)，二極管DC導(dǎo)通直流電流。因此降低了在穩(wěn)態(tài)操作期間的開(kāi)關(guān)損耗。
不像上面參照相關(guān)技術(shù)所描述的系統(tǒng)，因?yàn)槭褂昧私祲骸龎鹤儞Q器電路，所以不需要使用功率電阻在負(fù)載抑制期間耗散交流電機(jī)輸出端處的功率。通過(guò)控制負(fù)載施加和負(fù)載移除期間的電壓，所述降壓—升壓功率變換器電路可以維持系統(tǒng)的輸出電壓，進(jìn)而排除了對(duì)功率電阻的需要。
上面描述的本發(fā)明實(shí)施例比起傳統(tǒng)系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其具有更好的故障處理能力，這是因?yàn)楫?dāng)輸出端發(fā)生短路時(shí)不需要大的電容，并且避免了大的輸出電容組產(chǎn)生的潛在的破壞性電流。
也可以利用能夠在任一方向上處理功率的變壓器隔離的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)“降壓—升壓”功能。一種這樣的實(shí)施例如圖2所示。在該圖中，顯示有兩個(gè)全橋逆變器24、25，以及一個(gè)隔離變壓器26位于兩個(gè)逆變器之間。通過(guò)在全方波模式下(即相對(duì)的晶體管各導(dǎo)通近以50％的時(shí)間)驅(qū)動(dòng)每一個(gè)全橋可以在任一方向上對(duì)功率進(jìn)行處理，從而在變壓器上產(chǎn)生一個(gè)方波。隨后通過(guò)對(duì)一個(gè)橋相對(duì)于另一個(gè)橋進(jìn)行相移來(lái)對(duì)電壓變換和功率流動(dòng)方向進(jìn)行控制。這種操作類型也會(huì)導(dǎo)致晶體管進(jìn)行“軟開(kāi)關(guān)”，這會(huì)給出低的開(kāi)關(guān)應(yīng)力和損耗，正如下面的文章中描述的那樣“Performance characterization of a high-power dual active bridgeDC-to-DC converter(高功率雙有源橋直流—直流變換器的性能特點(diǎn))”，Kheraluwala，M.N.；Gascoigne，R.W.；Divan，D.M.；Baumann，E.D.；IndustryApplications，IEEE Transactions on，Volume28，Issue6，Nov.-Dec.1992，Page1294-1301。通過(guò)使用如圖2所描述的變壓器，可以更加容易地對(duì)大電壓變換比進(jìn)行處理。例如，如果電機(jī)電壓高而直流總線電壓低(例如圖2中描述的48伏特直流電壓)，那么可以調(diào)節(jié)變壓器匝數(shù)比，以使其達(dá)到最大的電壓變換。此外，由于變壓器的電隔離(galvanic isolation)，可以使用更多的電機(jī)和電壓接地選項(xiàng)。此外，應(yīng)該注意到在圖2中可以使用半橋逆變器來(lái)代替全橋逆變器。
盡管按照具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)講，他們可以在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改。也就是說(shuō)，盡管在本文中就電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)應(yīng)用討論了本發(fā)明，但是應(yīng)該注意的是，本發(fā)明可以應(yīng)用在控制交流電機(jī)輸出的所有應(yīng)用中。
權(quán)利要求
1.一種雙向降壓—升壓功率變換器(13)，包括一對(duì)設(shè)置在電機(jī)(10)的輸出端處的半橋逆變器模塊(14，15)；以及一個(gè)連接在所述該對(duì)半橋逆變器模塊之間的電感LO。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的雙向降壓—升壓功率變換器(13)，其中所述該對(duì)半橋逆變器(14，15)中的每一個(gè)包括一對(duì)彼此串聯(lián)的晶體管QA、QB，其中二極管DA、DB分別與每個(gè)所述晶體管并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的雙向降壓—升壓功率變換器(13)，其中所述電機(jī)是一個(gè)交流電機(jī)(10)，并且其中一個(gè)逆變器/整流器(11)連接在該交流電機(jī)的輸出端和所述該對(duì)半橋逆變器模塊(14，15)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的雙向降壓—升壓功率變換器(13)，其中所述電機(jī)是一個(gè)繞場(chǎng)同步電機(jī)(10)，其被配置成利用場(chǎng)控制來(lái)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的雙向降壓—升壓功率變換器(13)，其中所述電機(jī)包括一個(gè)電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)(10)。
6.一個(gè)雙向降壓—升壓功率變換器(13)，包括一對(duì)設(shè)置在電機(jī)(10)的輸出端處的全橋逆變器模塊(24，25)；以及一個(gè)連接在所述該對(duì)全橋逆變器模塊之間的變壓器(26)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的雙向降壓—升壓功率變換器(13)，其中所述該對(duì)全橋逆變器模塊(24，25)中的每一個(gè)包括相互串聯(lián)的第一對(duì)晶體管和相互串聯(lián)的第二對(duì)晶體管，其中每個(gè)所述晶體管都具有一個(gè)與之并聯(lián)的二極管，并且所述第一對(duì)晶體管與所述第二對(duì)晶體管并聯(lián)。
8.一種電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)(ESG)系統(tǒng)，其被配置成在起動(dòng)操作期間向渦輪機(jī)提供機(jī)械功率以及在發(fā)電操作期間將來(lái)自該渦輪機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率，所述電起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)與所述渦輪機(jī)機(jī)械耦合的同步起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)(10)，該同步起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)被配置成提供交流(AC)電壓；一個(gè)與所述同步起動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)電連接的逆變器/整流器(11)，該逆變器/整流器被配置成將交流電壓變換為直流電壓；以及一個(gè)雙向降壓—升壓功率變換器(13)，該雙向降壓—升壓功率變換器被配置成執(zhí)行以下多個(gè)操作中的每一個(gè)在瞬態(tài)操作期間逐步提高輸出電壓、在瞬態(tài)操作期間逐步降低輸出電壓、在穩(wěn)態(tài)操作期間逐步提高輸出電壓、在穩(wěn)態(tài)期間逐步降低輸出電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的ESG系統(tǒng)，其中所述雙向降壓—升壓功率變換器(13)包括一對(duì)設(shè)置在所述逆變器/整流器(11)的輸出端處的半橋逆變器模塊(14，15)；以及一個(gè)連接在所述該對(duì)半橋逆變器模塊之間的電感LO。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的ESG系統(tǒng)，其中所述雙向降壓—升壓功率變換器(13)包括一對(duì)設(shè)置在所述逆變器/整流器(11)的輸出端處的全橋逆變器模塊(24，25)；以及一個(gè)連接在所述該對(duì)全橋逆變器模塊之間的變壓器(26)。
全文摘要
雙向降壓－升壓功率變換器(13)包括一對(duì)設(shè)置在電機(jī)(10)的輸出端處的逆變器模塊(14，15)以及一個(gè)連接在該對(duì)逆變器模塊(14，15)之間的電感L
文檔編號(hào)H02M1/12GK1815870SQ20051013734
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月15日
發(fā)明者R·L·斯泰格沃爾德, L·J·加西斯, M·C·布林曼 申請(qǐng)人:通用電氣公司