航空静止变流器技术

王帮亭，郑 建

(上海飞机设计研究院电气设计研究部，上海 200235)

航空静止变流器是飞机电源系统的二次电源，它应用功率半导体器件，将飞机上主电源直流电28 V和270 V变换为恒压恒频单相36 V或115 V，400 Hz或三相36 V和115 V，400 Hz交流电，供飞机上的用电设备使用。

静止变流器是综合应用电力电子技术对飞机电能进行二次变换的装置，它综合了电力技术、电子技术与控制技术。航空静止变流器是飞机电源系统的核心组成部分，直接影响到飞机的安全性和可靠性，同时也是决定航空电源系统技术水平的主要因素之一。

静止变流器的基本要求是:可靠性高，成本低、维护方便、体积小、重量轻、电气性能好。主要电气性能指标有:输出电压精度高，动态响应速度快，输出正弦电压失真度低，效率高。随着飞机性能的提高和用电设备的不断增加，对航空静止变流器也提出了更高的要求。具有高效率、高可靠性、高功率密度、输入与输出之间具有航空/电隔离的变换器才能满足上述要求。

1 传统静止变流器分析

传统静止变流器的电路结构主要包括单相逆变器和三相逆变器。目前单相逆变器的主电路主要包括全桥和半桥两种。而三相逆变器的主电路主要包括三相桥式、三相半桥和三相四桥臂等结构。

1.1 三相桥式逆变器

三相桥式逆变器［1］，图1所示为三相桥式逆变器拓扑，电路结构简单，采用的器件较少，功率管承受母线电压，直流母线电压利用率高，一般用于功率较大场合。但为了得到三相四线制的输出电压，提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输出端增加中点形成变压器，使逆变器的体积和重量显著增加。

图1 三相桥式逆变器拓扑

1.2 三相半桥逆变器

三相半桥逆变器，图2所示为三相半桥逆变器拓扑，也有结构简单、功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点，作为输出的中点，可构成三相四线制的输出。为防止中点电位的偏移，串联电容的容值必须很大，使逆变器的体积和重量增加。而且半桥电路只是利用直流母线电压的一半，因此，三相半桥逆变器适合于低压中小功率输出的场合。

图2 三相半桥逆变器拓扑

1.3 三相四桥臂逆变器

三相四桥臂逆变器［2］，图3所示为三相四桥臂逆变器拓扑，是在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂，该桥臂的作用是形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不对称度。逆变器的输入端如果采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽然该逆变器的控制比较复杂，但仍是目前的研究热点。

图3 三相四桥臂逆变器拓扑

2 双Buck逆变器原理分析

无论单相全桥、单相半桥拓扑，还是三相桥式、三相半桥、三相四桥臂拓扑，都存在以下问题:(1)是桥臂直通问题。(2)二极管反向恢复损耗大的问题。

因此，拟采用一种单相双Buck电路拓扑，图4是双Buck半桥逆变器的主电路原理图，它可看成由两个类似Buck的桥臂网络变换器组成，分别由S1、D1、L1、C和S2、D2、L2、C构成。图5所示为三相双Buck逆变器拓扑，是由3个单相双Buck逆变器组合成的组合式三相逆变器。

该电路不存在桥臂直通，开关管体二极管不参与工作，不存在体二极管反向恢复损耗大的问题，效率高、可靠性高。

由于两功率管之间串联着两个较大的滤波电感，因此该电路没有传统逆变桥的直通问题，提高了可靠性。另外，续流电流流过独立的续流二极管，功率开关管和续流二极管可以分别得到最优设计［3］。

图4 双Buck逆变器主电路结构

3 双Buck逆变器举例分析

针对一500 VA/115 V/400 Hz的三相半桥双降压式逆变器做了工作原理的仿真验证。仿真条件为:输入电压Ui=360 V，三相基准正弦波对称，三相控制电路参数相同，其中电压环PI控制参数为Kpa=Kpb=Kpc=4，τia=τib=τic=4.4 ×10－5。输出滤波参数L1=L2=L3=L4=L5=L6=1 mH，Ca=Cb=Cc=2 μF，图 6～图9分别是负载状况分别为三相空载、三相平衡阻性额定负载、三相平衡感性额定负载和三相平衡容性额定负载。

表1 平衡负载条件下的输出电压幅值、相位仿真数据负载状态

表1可以看到在三相基准正弦波对称、三相控制参数相同和带三相平衡负载的条件下，三相输出电压的幅值和相位都是对称的［4］。

从以上分析，可以得到以下结论:

(1)传统逆变器中开关管平均开关频率近似是双Buck逆变器中开关管平均频率的两倍。因此，传统逆变器的开关损耗要大于双Buck逆变器的开关损耗。

(2)传统逆变器中是利用开关管的二极管进行续流，而双Buck逆变器利用独立的二极管进行续流，可以进行最优化设计，采用反向恢复时间短，导通压降小的二极管，所以双Buck逆变器效率要高于传统逆变器的效率。

(3)双Buck逆变器的两只开关管之间有两只电感串联，即使两个开关管同时开通，也不会出现直通现象，所以不必设置死区，因此不会产生由于死区造成的输出电压波形畸变。

(4)双Buck逆变器需要两个LEM和两个滤波电感。

4 结束语

文中提出的双Buck逆变器作为半桥逆变器的一种特殊形式，具有传统半桥逆变器的一般特点，且无功率管直通问题，系统抗干扰能力强、可靠性高，功率开关管和续流二极管可分别得到优化设计，开关损耗低，可实现较高的开关频率，不需要设置死区时间，消除死区引起的电路非线性及输出波形畸变问题。但从电路架构和控制方法上看，存在不足。增加了两只独立的续流二极管和两只滤波电感及两只电流互感器LEM。

［1］严仰光.航空航天器供电系统［M］.北京:航空工业出版社，1996.

［2］阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术［M］.北京:科学出版社，2000.

［3］KANG B J，LIAN C M.Random hysteresis PWM inverter with robust spectrum shaping［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System，2001，21(10):118 －121.

［4］SATOSHI H，MUTSUO N.Duplex two switch forward transformers linked soft－switch high frequency PWM DC－DC converter with tapped inductor filter［J］.IEEE PCC － Osaka，2002，24(8):1101－1108.