專利名稱：具有改進的電壓輸出特征的飛行器功率轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電源，特別涉及用于將AC電轉換成DC電、以使各種飛行器系統(tǒng)運轉的飛行器用電源。
背景技術：
圖1描述了AC-DC功率轉換器形式的現(xiàn)有技術的飛行器電源，該飛行器電源從飛行器發(fā)電機接收三相輸入AC功率。該三相輸入AC電可以為典型的40Hz的三相200VAC功率。轉換器使該輸入通過功率變壓器T1降壓、將二次電壓整流并對其進行濾波，從而提供28VDC輸出。更具體地，通過L網(wǎng)絡輸入濾波器提供三相輸入，并且將該三相輸入連接到Y接法(Wye configuration)的功率變壓器T1的一次側。變壓器具有兩個二次繞組，其中一個以Δ拓撲連接，另一個以Y拓撲連接。這些二次繞組連接到由一組功率二極管CR1-CR12組成的整流器，功率二極管CR1-CR12為二次電壓提供全波整流，其中低壓端通過相間變壓器T2接地，相間變壓器T2操作以使Δ波形與Y波形磁耦合在一起。相間變壓器包括一對高壓抽頭，其連接到故障檢測繼電器Z1，繼電器Z1例如為FADEC系統(tǒng)提供轉換器狀態(tài)信息。整流器的正極輸出連接到40Ω、25W的泄漏電阻R1和π濾波器網(wǎng)絡，其中泄漏電阻R1在空載或低負載情況下限制輸出電壓，而π濾波器網(wǎng)絡包括94μF的電容，并且整流器與π濾波器網(wǎng)絡被0.1mΩ、0.3μH的電感隔開。
根據(jù)圖1的示意圖構造的、典型的現(xiàn)有技術的電路具有嚴重依賴于負載的電壓輸出特性曲線。例如，對于額定提供28VDC輸出的電路來說，電路的空載輸出可能為33VDC，而重負載輸出(即輸出電流＞50安培)可能低于27VDC，并且輸出電壓隨著負載增大而繼續(xù)下降。該輸出電壓-負載曲線除了在低負載時之外(即小于5安培)，大多數(shù)情況下是線性的。結果是電源提供了約28％的有限的調整(即在額定的28VDC附近具有高達8伏的擺動)。此外，在轉換器的輸出端看到的紋波電壓通常約為1.5Vp-p(峰間電壓值)。雖然該紋波電壓特性可以滿足例如MIL-STD 704的應用要求，但是高功率紋波的這些量可能會不希望地影響通信和其他機載(on-board)系統(tǒng)。
傳統(tǒng)上，已經(jīng)利用例如線性調節(jié)器、觸發(fā)SCR和PWM或其他開關模式的電壓調節(jié)器的閉環(huán)反饋控制拓撲實現(xiàn)了對輸出電壓水平和紋波調節(jié)的改進。這些反饋系統(tǒng)監(jiān)測輸出電壓并相應地調整其操作，以實現(xiàn)較好的調節(jié)輸出。對于28VDC/100安培的電源來說，典型的輸出特性曲線包括將電壓調整到1VDC，將紋波電壓調整到0.4Vp-p。然而，利用這些電路結構實現(xiàn)的改進的調節(jié)可能存在某些缺點。例如，線性調節(jié)器具有相對較低的頻率，并且較多的功率會以熱量的形式損失，這樣可能需要付出大量的工作來進行熱管理。此外，開關模式的電壓可以產(chǎn)生相當大的EMI，并且需要使用有源器件，而有源器件在可靠性方面要比例如電阻、電容、二極管和電感的無源器件差很多。在飛行器應用中可靠性是非常重要的。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種多相AC-DC飛行器功率轉換器，其具有輸入濾波器、功率變壓器、整流器和輸出濾波器，其中所述功率變壓器包括一次繞組和一對二次繞組，所述輸入濾波器接收多相AC輸入功率并連接以向所述功率變壓器的一次繞組提供經(jīng)濾波的輸入功率，所述二次繞組連接到所述整流器，所述整流器提供連接到所述輸出濾波器的DC輸出，其特征在于，所述轉換器包括位于所述輸出濾波器處的虛擬負載，所述虛擬負載從所述DC輸出中分流足夠大的電流，從而使所述轉換器在小于5安培的低負載到大于50安培的高負載的負載范圍內，工作于基本為線性的I-V特性曲線上。
在一種實施方案中，所述虛擬負載可以為具有足以分流需要的電流量的總阻值的一個或多個電阻。此外，在另一種實施方案中，所述輸出濾波器可設有高存儲的輸出電容(例如1000μF或1000μF以上)，用以對來自于整流器的紋波電流進行濾波并提供小于1.5Vp-p的電壓紋波調節(jié)。


下面將結合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施方案，其中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1是現(xiàn)有技術的三相AC-DC飛行器功率轉換器的示意圖，其中所述功率轉換器以額定200VAC、400Hz為動力來運轉并且提供用以處理0-100安培的負載的28VDC輸出；圖2是根據(jù)本發(fā)明構造的三相AC-DC飛行器功率轉換器的示意圖；以及圖3是比較圖1和圖2的電路的輸出I-V特性曲線的圖。
具體實施例方式
圖2描述了本發(fā)明的實施方案。該電路與圖1的現(xiàn)有技術的轉換器的相似之處在于，使用了相同的輸入濾波器、Y到Δ-Y變壓器、以及整流器電路配置，用以將400Hz的三相200VAC轉換為28VDC、0-100安培的輸出。圖2中的電路還包括如上所述那樣連接的相間變壓器T2、故障檢測繼電器Z1、風扇馬達B1、插座J1以及終端電路板TB1。然而，與圖1中現(xiàn)有技術的電路的不同之處在于，圖2的電路采用組合的輸出級虛擬負載和大的電容濾波器，以提供改進的電壓級和紋波調節(jié)。利用10Ω的小歐姆負載阻抗(如圖所示那樣采用并聯(lián)的四個40Ω、25W的電阻來實現(xiàn))來實現(xiàn)改進的電壓級調節(jié)。該虛擬負載僅用作泄漏電阻，它甚至在轉換器輸出端無負載的情況下也可以分流出足夠大的電流，從而使轉換器總是工作在其固有的輸出電壓-負載電流特征曲線的主要線性部分。在該實施方案中，虛擬負載分流出通過功率二極管CR1-CR12的、足夠的電流而使功率二極管CR1-CR12趨向于滿正向傳導電壓(例如0.7伏)，并且使它們保持稍微變熱，從而使它們的電壓特性曲線即使在滿輸出負載的情況下也不會改變。變壓器T1的匝比稍稍降低(大約2-3％)，以補償由虛擬負載造成的降低的空載輸出電壓。這一點可以通過使變壓器T1的一次繞組(從通常約100匝中)減少2-3匝來實現(xiàn)。
根據(jù)圖2的實施方案，使用虛擬負載并結合L網(wǎng)絡輸出濾波器來改進電壓級調節(jié)，其中L網(wǎng)絡輸出濾波器在正電壓輸出線路中采用(在1kHz時測量的)1.9mΩ、53.8μH的電感，并通過輸出終端連接3000μF的電容。增強的電容濾波器與虛擬負載結合，從而提供了大約30-60％更佳的電壓級調節(jié)和大約50-95％的更佳的電壓紋波調節(jié)。例如，圖2所示的電路可以提供從空載到100安培負載、約3-5伏的輸出電壓變化，并同時提供不超過1.0Vp-p、優(yōu)選不超過0.5Vp-p、并且在特別優(yōu)選的實施方案中提供不超過0.2Vp-p的紋波幅值。此外，僅利用無源器件且在不帶反饋的情況下實現(xiàn)該電壓調節(jié)。因而，圖2的電路提供了與采用閉環(huán)控制反饋方案實現(xiàn)的輸出電壓類似的經(jīng)過調整的輸出電壓，并且不存在線性調節(jié)器的低效率、開關模式的EMI以及這些電壓和基于SCR的電源的可靠性的降低。
圖3描述了圖1現(xiàn)有技術的輸出I-V特性曲線與圖2的實施方案的輸出I-V特性曲線的比較?？梢钥闯觯瑘D2的電路的I-V特性曲線在從低負載(5安培以下)到高負載(50安培以上)、再一直到150安培的范圍內基本是線性的，并且對于5安培或5安培以上的所有輸出負載都是高度線性的。圖2的電路所提供的調節(jié)在1安培到150范圍內為±1.0VDC、而在0(空載)到150安培的整個范圍內僅提高到±1.25VDC。
應當理解，前面的描述并不是對本發(fā)明本身的描述，而是對本發(fā)明的一個或多個優(yōu)選示例性實施方案的描述。本發(fā)明并不局限于本文公開的特殊的實施方案，而是僅受到以下權利要求的限定。此外，前面的描述中包含的聲明與本發(fā)明的特殊的實施方案有關，而不應解釋為是對本發(fā)明的范圍的限制或者對權利要求中所使用的術語的限定，除非以上對術語或語句明確限定的情況下。各種其他的實施方案以及對已公開的實施方案的各種改動和修改對于本領域的技術人員來說將是顯而易見的。例如，可以在輸出濾波器之后而不是如圖2所示那樣在輸出濾波器之前設置虛擬負載阻抗。此外，可以采用其他的輸出濾波器配置，只要它們提供特殊應用可接受的電壓紋波水平。此外，給出本文公開的特定的組件值和示意性設計，是為了提供可用于一個特殊的應用--200VAC到28VDC飛行器電源的實施方案的特定實施例。其他的應用將會采用其他的組件、組件值和電路設計。所有這些其他的實施方案、改動和修改都落在所附權利要求的范圍之內。
說明書和權利要求書中使用的術語“例如”、動詞“包含”、“具有”、“包括”以及與一個或多個組件或其他術語一起使用的其他的動詞形式均應解釋為開放式的，這就意味著列表不應被看作是排除其他附加組件或術語。利用其他術語的最廣泛的合理含義來解釋這些術語，除非它們用于需要不同解釋的上下文中。
權利要求
1.一種多相AC-DC飛行器功率轉換器，其具有輸入濾波器、功率變壓器、整流器和輸出濾波器，其中所述功率變壓器包括一次繞組和一對二次繞組，所述輸入濾波器接收多相AC輸入功率并連接以向所述功率變壓器的一次繞組提供經(jīng)濾波的輸入功率，所述二次繞組連接到所述整流器，所述整流器提供連接到所述輸出濾波器的DC輸出，其特征在于所述轉換器包括位于所述輸出濾波器處的虛擬負載，所述虛擬負載從所述DC輸出中分流足夠大的電流，從而使所述轉換器在小于5安培的低負載到大于50安培的高負載的負載范圍內，工作于基本為線性的I-V特性曲線上。
2.如權利要求1所述的飛行器功率轉換器，其中所述輸出濾波器包括高存儲輸出電容，所述輸出電容對來自于所述整流器的DC輸出進行濾波，并提供小于1.0Vp-p的電壓紋波調節(jié)。
3.如權利要求2所述的飛行器功率轉換器，其中所述輸出電容具有至少1000μF的電容，并且提供小于0.5Vp-p的電壓紋波調節(jié)。
4.如權利要求2所述的飛行器功率轉換器，其中所述輸出濾波器包括與所述DC輸出串聯(lián)的電感。
5.如權利要求4所述的飛行器功率轉換器，其中所述輸出濾波器包括L型網(wǎng)絡輸出濾波器。
6.如權利要求1所述的飛行器功率轉換器，其中所述虛擬負載包括多個相互并聯(lián)的高瓦特電阻。
7.如權利要求1所述的飛行器功率轉換器，其中所述整流器包括被連接以對所述二次繞組的電壓進行全波整流的多個二極管，并且所述虛擬負載包括一個或多個電阻，所述一個或多個電阻具有的總阻值能夠使其在零輸出電流負載情況下，分流出通過所述二極管的足夠大的電流，以使所述二極管工作在其滿正向傳導電壓下。
8.如權利要求1所述的飛行器功率轉換器，其中所述一次繞組以Y接法連接，以接收輸入功率，所述二次繞組之一以Δ接法連接，而所述二次繞組中的另一個以Y接法連接，并且其中所述整流器包括兩組二極管，其中每一組分別連接到所述二次繞組之一以提供全波整流，所述二極管的低壓端通過相間變壓器接地。
9.如權利要求1所述的飛行器功率轉換器，其中所述轉換器接收未經(jīng)調節(jié)的40Hz的三相200VAC，并且在電流為0安培到150安培的負載范圍內提供電壓變化不超過3伏、電壓紋波小于0.5Vp-p的DC輸出。
10.如權利要求1所述的飛行器功率轉換器，其中所述轉換器僅包含不帶反饋的無源組件。
11.一種多相AC-DC飛行器功率轉換器，包括多條輸入線路，用于接收三相AC輸入功率；功率變壓器，其具有一次繞組和一對二次繞組，所述一次繞組以Y接法連接到所述輸入線路以接收所述三相AC輸入功率；整流器，包括多個連接為全波整流器以提供DC輸出的二極管，所述變壓器的二次繞組包括以Δ接法連接到所述二極管的第一組的第一繞組、以及以Y接法連接到所述二極管的第二組的第二繞組，其中所述二極管通過相間變壓器接地；電阻負載，其跨接于所述整流器的DC輸出；以及輸出濾波器，其包括至少一個電容，所述電容連接以對所述整流器的DC輸出進行濾波并提供電壓紋波調節(jié)；其中所述電阻負載通過所述二極管分流足夠大的電流，以使所述二極管工作在其滿正向傳導電壓下，而不管是否存在任何外部負載。
12.如權利要求11所述的飛行器功率轉換器，其中所述輸出濾波器包括在所述電容之前串聯(lián)的電感，所述電容具有1000μF或1000μF以上的電容值，并且所述輸出濾波器提供小于1.0Vp-p的電壓。
13.如權利要求11所述的飛行器功率轉換器，其中所述轉換器僅包含不帶反饋的無源組件。
14.如權利要求11所述的飛行器功率轉換器，其中所述電阻負載從所述DC輸出中分流足夠大的電流，從而使所述轉換器在小于5安培的低負載到大于50安培的高負載的負載范圍內，工作于基本為線性的I-V特性曲線上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有改進的電壓輸出特征的多相AC－DC飛行器功率轉換器，其具有輸入濾波器、功率變壓器、整流器和輸出濾波器，其中所述功率變壓器包括一次繞組和一對二次繞組，所述輸入濾波器接收多相AC輸入功率并連接以向所述功率變壓器的一次繞組提供經(jīng)濾波的輸入功率，所述二次繞組連接到所述整流器，所述整流器提供連接到所述輸出濾波器的DC輸出，其特征在于，所述轉換器包括位于所述輸出濾波器處的虛擬負載，所述虛擬負載從所述DC輸出中分流足夠大的電流，從而使所述轉換器在小于5安培的低負載到大于50安培的高負載的負載范圍內，工作于基本為線性的I－V特性曲線上。
文檔編號H02M1/14GK101071990SQ20071008953
公開日2007年11月14日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權日2007年3月29日
發(fā)明者約翰·德維特·科蒂漢姆三世 申請人:冠軍航天有限公司