具有升壓能力的復合ac到dc功率轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有升壓能力的復合AC到DC功率轉(zhuǎn)換器。一種接近于2到1升壓多相AC到DC轉(zhuǎn)換器可包括主整流器、副整流器；以及連接到主整流器和副整流器的自耦變壓器。該自耦變壓器可包括布置在多條支線中的多個互連繞組，其中對于每相各一條支線，以及其中每條支線包括多個繞組，其中每條支線的繞組中除了一個外的所有繞組具有相同的匝數(shù)比，以及每條支線的繞組中的一個繞組具有的匝數(shù)比小于相應(yīng)支線的所有其他繞組的匝數(shù)比。
【專利說明】具有升壓能力的復合AC到DC功率轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明一般涉及AC到DC轉(zhuǎn)換器，以及更特別地涉及具有升壓能力的無源AC到DC
轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]AC到DC轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)代航空/軍事工業(yè)中扮演著重要角色。在用于飛行器和航天器的更多電子架構(gòu)(MEA)領(lǐng)域中尤其如此。由于安裝在同一總線上的大量的電功率系統(tǒng)和設(shè)備，功率質(zhì)量對于MEA飛行器來說是主要關(guān)注點。這些系統(tǒng)和設(shè)備的功率質(zhì)量具有迫切的要求以確保所有電源/利用設(shè)備正確地共同起作用。
[0003]“復合AC到DC轉(zhuǎn)換器”已經(jīng)被創(chuàng)建來與并行使用兩個或更多轉(zhuǎn)換方法的轉(zhuǎn)換器相區(qū)別。對于復合AC到DC轉(zhuǎn)換器的概念來源為向更小尺寸、更輕重量和更高效率的進一步改進。
[0004]雖然復合AC到DC轉(zhuǎn)換器向性能改善邁出一大步，但是它們還沒有結(jié)合有效的升壓能力。復合AC到DC轉(zhuǎn)換器通常提供了三相115Vac系統(tǒng)的整流，從而導致270Vdc的典型輸出電壓值。存在很多情況，其中期望輸出電壓高得多以實現(xiàn)連續(xù)功率調(diào)節(jié)的更好性能。用于一些配電系統(tǒng)中的典型值是540Vdc、+ / -270Vdc和610Vdc。這意味著對用于三相115Vac系統(tǒng)中來產(chǎn)生大約是其整流輸出兩倍高的輸出電壓的復合AC到DC轉(zhuǎn)換器而言，其將是期望的。也就是說，將期望在復合AC到DC轉(zhuǎn)換器中提供升壓能力。另外，將期望實現(xiàn)這樣的無源升壓，其與基于半導體的有源升壓電路相比，采用了自耦變壓器。在航空應(yīng)用的情境中，無源系統(tǒng)相比于有源系統(tǒng)的固有可靠性是重要的考慮因素。
[0005]在復合AC到DC轉(zhuǎn)換器的自耦變壓器內(nèi)，內(nèi)部繞組匝數(shù)比負責其升壓因數(shù)。然而，典型的自耦變壓器的轉(zhuǎn)換比(ACR)在用于升壓時將開始減少。在升壓拓撲結(jié)構(gòu)中，減少的ACR的主要原因可被看作是自耦變壓器繞組的伏特*安培(VA)的總和一直上升，而自耦變壓器輸出功率一直保持恒定。高ACR在用于航空交通工具中的自耦變壓器中是期望的，因為與具有低ACR的自耦變壓器相比，這樣的自耦變壓器可以被構(gòu)造具有更小的繞組，以及具有更低的重量。
[0006]如可以看出的，需要一種具有升壓能力的復合無源的AC到DC轉(zhuǎn)換器。更特別地，需要這樣一種轉(zhuǎn)換器，其可利用以高ACR進行操作的自耦變壓器來產(chǎn)生無源升壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在本發(fā)明的一個方面中，一種多相AC到DC轉(zhuǎn)換器可包括:主整流器；副整流器；和連接到主整流器和副整流器的自耦變壓器，該自耦變壓器包括被布置在多條支線中的多個互連的繞組，其中對于每相各一條支線，以及其中每條支線包括多個繞組，其中每條支線的繞組中除了一個外的所有繞組具有相同的匝數(shù)比，以及每條支線的繞組中的一個繞組具有的匝數(shù)比小于相應(yīng)支線的所有其他繞組的匝數(shù)比。
[0008]本發(fā)明的另一方面中，一種具有布置在三條支線中的繞組的三相升壓自耦變壓器，其可包括:具有根據(jù)矢量圖確定的匝數(shù)比的繞組，該矢量圖是使用線到線電壓矢量來連接放置在等邊三角形的邊的投影上的頂端所構(gòu)造的；其中構(gòu)造弧在頂端之間擺動，具有的半徑等于線到線電壓矢量的長度；以及其中線到線電壓矢量的長度被選擇為使得在自耦變壓器的每條支線中存在得到數(shù)目為四的繞組。
[0009]本發(fā)明的又一方面中，用于執(zhí)行具有升壓的三相AC到DC功率轉(zhuǎn)換器的方法可包括以下步驟:使第一部分AC功率直接穿過自耦變壓器的相專用繞組到達主整流器，其中該第一部分的電壓被提升；使第二部分AC功率穿過自耦變壓器的多個繞組，而不是相專用繞組，到達副整流器，其中該第二部分的電壓被提升；分別使用主整流器和副整流器對第一和第二部分進行整流；以及組合主整流器和副整流器的輸出來產(chǎn)生單個整流的升壓直流電壓輸出。
[0010]本發(fā)明的這些和其他的特征、方面和優(yōu)點將參照下面的附圖、描述和權(quán)利要求而
變得更好理解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的AC到DC功率轉(zhuǎn)換器的示意圖；
[0012]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用來確定自耦變壓器的繞組配置的分析技術(shù)的矢量圖；
[0013]圖3是圖1的轉(zhuǎn)換器的簡化示意圖的圖形說明，其反映了以矢量形式的自耦變壓器配置；
[0014]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于執(zhí)行AC到DC功率轉(zhuǎn)換的方法的流程圖?！揪唧w實施方式】
[0015]下面的詳細描述具有執(zhí)行本發(fā)明的示例性實施例的目前想到的模式。該描述不以限制意義來進行，而是僅出于說明本發(fā)明的一般原理的目的而做出，因為本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求所最佳限定。
[0016]下面描述各種發(fā)明特征，這些特征均可被相互獨立地使用或與其他特征組合使用。
[0017]廣泛地，本發(fā)明的實施例通常提供具有升壓能力的無源復合AC到DC轉(zhuǎn)換器。更特別地，這樣的轉(zhuǎn)換器可利用具有高ACR的自耦變壓器來產(chǎn)生無源升壓。
[0018]現(xiàn)在參照圖1，可以看到的是，示例性AC到DC轉(zhuǎn)換器10可包括自耦變壓器12、主整流器14和副整流器16。在圖1中，轉(zhuǎn)換器10被示為連接在三相電源18和直流負載20之間。主整流器14和副整流器16是常規(guī)的6脈沖整流器。自耦變壓器12可以用三條支線X、Y和Z來構(gòu)造。支線X、Y和Z中的每一條可包括四個繞組A、B、C和D。如圖1中所示，自耦變壓器12的十二個繞組可相互間互連并位于電源18和整流器14和16之間。
[0019]可以選擇繞組的匝數(shù)比和它們的互連布置來提供高升壓和高自耦變壓器轉(zhuǎn)換比(ACR)兩者。
[0020]現(xiàn)在參照圖2，矢量圖30顯示了可被用來確定用于自耦變壓器12的繞組的匝數(shù)比和互連配置的分析技術(shù)。矢量圖30可以是使用線到線電壓矢量42來連接頂端32所構(gòu)造的，該頂端32被放置在沿著等邊三角形38的邊36的投影34上。構(gòu)造弧40在這些頂端32之間擺動，其等于線到線電壓范圍矢量42的長度。矢量42的長度選擇為使得在支線X、Y和Z(見圖1)中的每一條中存在得到數(shù)目為四的繞組A、B、C和D。在升壓12脈沖整流系統(tǒng)中可有效工作的每支線繞組的最小數(shù)目是四。當僅有四個繞組被用于每條支線中時，自耦變壓器12的總重量和尺寸可以被最小化。
[0021]與其他矢量42等角度間隔的矢量42之一可從矢量頂端32的相反一個畫到弧40的中點37。頂端32或矢量42與然后可使用的弧40的交點可被用于設(shè)計電壓比和繞組的互連。例如，用于繞組YD的矢量44可在弧40的中點37和三角形38的左邊之間在平行于三角形的底邊的方向上被畫出。用于繞組ZC的矢量46可從中點37到三角形的左邊在平行于三角形38的右邊的方向上被畫出。
[0022]上述分析過程可對于功率輸入18的所有三相重復，以便可以確定自耦變壓器12的所有十二個繞組的匝數(shù)比。
[0023]例如，在圖30上，三角形的邊可被標準化為值I。矢量42的長度可對應(yīng)于所期望的升壓并被選擇具有大約2的值。用于繞組XA、YD和ZC的得到的匝數(shù)比可以是大約0.57。用于繞組XB的得到的匝數(shù)比可以是大約0.42?？梢钥闯龅氖牵S著對所有三相重復上述過程，用于支線X、Y和Z中的每條的匝數(shù)比的得到模式可包括具有相等匝數(shù)比的三個繞組和第四繞組，該第四繞組具有的匝數(shù)比在支線的其他三個繞組的任一個的匝數(shù)比的大約70%和 75% (例如，0.42 / 0.57)之間。
[0024]現(xiàn)在參照圖3，可以看出的是，自耦變壓器12和圖1的互連可按照替代的簡化示意方式被圖像顯示，該方式可反映出圖2中所示的矢量分析的成果。來自相Pl的AC輸入可被連接在功率輸入端子50處，即繞組XA、YD和ZB的電交叉點。來自相P2的AC輸入可被連接在功率輸入端子52，即繞組YA、ZD和XB的電交叉點。來自相P3的AC輸入可被連接在端子54，即繞組TA、YB和XD的電交叉點。繞組XA、YA和ZA可分別在輸出端子56、58和60處被直接連接到主整流器14的輸入。在這點上，繞組XA、YA和ZA可被視為相專用繞組。繞組YD、ZC和XD可在端子50和52之間彼此連接。繞組ZD、XC和YB可在端子52和54之間彼此連接。繞組XD、YC和ZB可在端子54和50之間彼此連接。
[0025]可以看出的是，饋送到副整流器16的電流部分小于饋送到主整流器14的部分，并且饋送到主整流器14的電流部分沿著低阻抗路徑。這種分離的重要性在于如果更大的電流部分在自耦變壓器12內(nèi)采取“短”路徑通往其輸出，則自耦變壓器12可具有更小的損耗。由于自耦變壓器12中繞組的配置，轉(zhuǎn)換器10可具備幾乎2到I的升壓，同時自耦變壓器12的ACR可保持高到大約1.5。另外，由于副整流器16可經(jīng)歷更低RMS電流，因此相對于主整流器14，副整流器16可被選擇為比用于主整流器14的裝置更小的裝置。因此，轉(zhuǎn)換器10的總重量和總尺寸可保持期望地小。
[0026]現(xiàn)在參照圖4，流程圖400圖示出了用于執(zhí)行具有升壓的AC到DC功率轉(zhuǎn)換的方法。在步驟402中，第一部分AC功率可直接穿過自耦變壓器的相專用繞組到達主整流器，其中AC電流的第一部分的電壓被提升。例如，AC功率可穿過來自AC電源18的繞組XA、YA和ZA到達主整流器14中。在步驟404中，AC功率的第二部分可穿過自耦變壓器的多個繞組，而不是相專用繞組，到達副整流器，其中AC功率的第二部分的電壓被提升。例如，AC功率可從AC電源18穿過圖3中所示的串聯(lián)連接的繞組到達副整流器16。在步驟406和408中，功率的第一和第二部分可分別在主整流器和副整流器中被整流。在步驟410中，主整流器和副整流器的輸出被組合以產(chǎn)生單個DC輸出。
[0027]當然，應(yīng)當理解的是，前述內(nèi)容涉及本發(fā)明的示例性實施例，并且可以在不脫離如在以下權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出修改。
【權(quán)利要求】
1.一種多相AC到DC轉(zhuǎn)換器(10)，包括: 主整流器(14)； 副整流器(16);以及 自耦變壓器(12)，其被連接到主整流器(14)和副整流器(16)，所述自耦變壓器(12)包括布置在多條支線(X，Y和Z)中的多個互連繞組(XA, XB, XC，XD, YA, YB, YC, YD, ZA, ZB,ZC和ZD)，其中對于每相各一條支線，以及其中每條支線包括多個繞組，其中每條支線的繞組中除了一個外的所有繞組具有相同的匝數(shù)比，以及每條支線的繞組中的一個繞組具有的匝數(shù)比小于相應(yīng)支線的所有其他繞組的匝數(shù)比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的AC到DC轉(zhuǎn)換器: 其中輸入到所述轉(zhuǎn)換器的功率是三相AC功率； 其中所述自耦變壓器包括十二個互連繞組，其被布置在三條支線中，其中每條支線包括四個繞組；以及 其中每條支線的繞組中的三個繞組具有相同的匝數(shù)比，以及每條支線的繞組中的一個繞組具有的匝數(shù)比在相應(yīng)支線的所有其他繞組的匝數(shù)比的大約70%和大約75%之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的AC到DC轉(zhuǎn)換器， 其中十二個互連繞組的匝數(shù)比是通過使用矢量圖來確定的，所述矢量圖是使用線到線電壓矢量(42)來連接放置在等邊三角形(38)的邊(36)的投影(34)上的頂端(32)所構(gòu)造的； 其中構(gòu)造弧(40)在所述頂端(32)之間擺動，具有的半徑等于所述線到線電壓矢量(42)的長度；以及 其中所述線到線電壓矢量(42)的長度被選擇為使得在自耦變壓器的每條支線中存在得到數(shù)目為四的繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的AC到DC轉(zhuǎn)換器，其中所述自耦變壓器提供大約2到I的升壓，以及所述自耦變壓器具有大約1.5的自耦變壓器轉(zhuǎn)換比(ACR)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的AC到DC轉(zhuǎn)換器，其中在每條支線(X，Y和Z)中的繞組(XA，YA和ZA)之一被直接連接到所述主整流器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的AC到DC轉(zhuǎn)換器，其中直接連接到所述主整流器的在每條支線中的繞組(XA，YA和ZA)之一也被直接連接到AC功率輸入端子。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的AC到DC轉(zhuǎn)換器， 其中所述自耦變壓器包括三個功率輸入端子(50，52和54)； 其中所述繞組中的三個被一起串聯(lián)連接在所述功率輸入端子中的任意兩個之間；以及 其中，在這樣連接的三個繞組中，所述繞組之一所來自的支線不同于直接連接到所述兩個功率輸入端子的繞組的支線。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的AC到DC轉(zhuǎn)換器，其中除了直接連接到所述主整流器的繞組外，所有繞組被串聯(lián)連接在一起。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的AC到DC轉(zhuǎn)換器，其中所有串聯(lián)連接的所述繞組包括在三個功率輸入端子中的任一個與所述副整流器之間的電路路徑。
【文檔編號】H02M7/02GK103795276SQ201310664685
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月31日
【發(fā)明者】E·加內(nèi)夫, W·沃爾, 陳可民 申請人:霍尼韋爾國際公司