電力電子技術(shù)在多電及混合動(dòng)力推進(jìn)飛機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)展

王 鶴,陳永祿

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)

0 引言

多電飛機(jī)技術(shù)是航空科技發(fā)展的全新技術(shù)。多電飛機(jī)(More electric aircraft, MEA)用電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)二次能源,可簡(jiǎn)化飛機(jī)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu),且可優(yōu)化飛機(jī)性能、降低運(yùn)行和維護(hù)成本、提高簽派可靠性、最大限度地減少氣體排放。

MEA用電能代替液壓能,移除液壓系統(tǒng)有助于提高飛機(jī)可靠性,降低復(fù)雜性,減少冗余,減輕重量,降低安裝和維護(hù)成本[1]。MEA通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電起動(dòng),可降低發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)功率。MEA采用電動(dòng)泵代替發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)可降低復(fù)雜性和安裝成本[2]。此外,MEA采用渦輪電力或混合電力推進(jìn)可以提高飛機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。

作為商業(yè)運(yùn)營(yíng)中電氣化程度最高的多電飛機(jī),波音787“夢(mèng)幻客機(jī)”通過(guò)六臺(tái)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的最大總發(fā)電功率可達(dá)1.45 MW[3]。圖1(a)所示為波音787“夢(mèng)幻客機(jī)”的電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖。由圖1(a)可知,電力電子技術(shù)在多電飛機(jī)的全電氣化發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。圖1(b)所示為飛機(jī)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖,由圖1(b)可知,DC-AC功率變換器在飛機(jī)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。該系統(tǒng)是將發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電氣互連,并調(diào)節(jié)它們之間的功率,實(shí)現(xiàn)高效率高功率密度的混合電力推進(jìn)。

圖1 (a) 多電飛機(jī)中主要電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖;(b)飛機(jī)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖

1 功率半導(dǎo)體器件和固態(tài)保護(hù)

1.1 碳化硅器件

與同功率的傳統(tǒng)硅基功率器件相比,碳化硅器件具有更低的開(kāi)關(guān)損耗、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的擊穿電壓和更高的熔點(diǎn)[4]。金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)是電壓控制元件,鑒于硅基器件在高壓高頻變換中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的損耗,碳化硅MOSFET將成為高效高功率密度功率變換器的最佳選擇。

實(shí)際上,采用快速開(kāi)關(guān)碳化硅MOSFET的電力電子系統(tǒng)也有一些不足之處,主要體現(xiàn)在:(1)碳化硅功率器件的高頻諧波比硅絕緣柵雙極晶體管(Insulate-gate bipolar transistor, IGBT)的高40～50 dB(100～300倍),如圖2所示,電力電子系統(tǒng)級(jí)電磁干擾濾波器和布局方法需要仔細(xì)設(shè)計(jì);(2)與同功率的硅基器件相比,因?yàn)樘蓟鐼OSFET具有較慢的飽和帶輸出特性,所以其耐短路能力較弱[5];(3)碳化硅MOSFET電壓上升時(shí)間短,將在負(fù)載側(cè)產(chǎn)生更高的浪涌電壓。

圖2 硅和碳化硅器件之間的諧波比較

盡管如此,碳化硅開(kāi)關(guān)器件的可靠性非常高。當(dāng)阻斷電壓接近器件額定電壓時(shí),碳化硅MOSFET的故障率遠(yuǎn)低于硅基IGBT[6]。

1.2 氮化鎵器件

與碳化硅器件類似,氮化鎵器件也具有開(kāi)關(guān)損耗低、開(kāi)關(guān)速度快和熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn),但其抗電壓擊穿能力較低[4]。因此,氮化鎵器件目前在低功率高頻應(yīng)用等方面的應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì),例如可用于功率小于10 kW的開(kāi)關(guān)電源。

1.3 固態(tài)斷路器

固態(tài)斷路器(Solid state circuit breaker, SSCB)具有許多優(yōu)點(diǎn),如更高的效率和功率密度以及更高的可靠性[7]。SSCB的電路示意圖如圖3所示,圖中Vbus表示270 V直流母線,電感Lseries指系統(tǒng)內(nèi)母線和接線電感的總合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,母線電壓為270 V時(shí),對(duì)于250 A短路故障的斷開(kāi)動(dòng)作可控制在10 μs之內(nèi),對(duì)于450 A的短路故障斷開(kāi)動(dòng)作可控制在70 μs之內(nèi)。

圖3 270 V DC的SSCB電路示意圖

2 多電飛機(jī)中的電力電子變換器

2.1 直流-直流變換器

直流-直流變換器(DC-DC變換器)用于270 V高壓和28 V低壓之間的變換,也可用于28 V和電池之間的雙向功率變換。圖4所示為一種隔離型雙有源橋(Dual active bridge, DAB)DC-DC變換器。由于圖4中存在高頻變壓器,該變換器電壓調(diào)節(jié)范圍非常寬。此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于采用了碳化硅MSOFET,該DAB變換器可在溫度高達(dá)300 ℃的高溫環(huán)境下工作。

圖4 雙有源橋式DC-DC變換器(270 V/28 V)

圖5所示為文獻(xiàn)[8]中報(bào)道的一種三端口DC-DC變換器,該變換器用于和太陽(yáng)能光伏、電池和太陽(yáng)能電池的直流負(fù)載電源系統(tǒng)連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,圖5所示的三端口變換器具有較高的效率和功率密度。

圖5 移相控制的三端口DC-DC變換器

文獻(xiàn)[9]報(bào)道了一種基于增強(qiáng)型氮化鎵器件的雙輸出三電平DC-DC變換器,該變換器可用作機(jī)載電池充電器,其電路拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 電容鉗位雙輸出3電平DC-DC變換器拓?fù)?/p>

2.2 直流-交流逆變器

在文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)了一種新型具有零電流開(kāi)關(guān)(Zero current switching, ZCS)的模塊化無(wú)槽逆變器,用于多電飛機(jī)的大功率直流-交流變換。這種新型逆變器的電路拓?fù)淙鐖D7所示。由圖7可知,ZCS狀態(tài)是通過(guò)在逆變器級(jí)以比分區(qū)級(jí)更寬的占空比切換開(kāi)關(guān)器件獲得的。

圖7 MEA模塊化無(wú)槽ZCS逆變器拓?fù)?/p>

在文獻(xiàn)[11]中,基于氮化鎵器件利用飛跨電容多電平變換器(Flying capacitor multi-lever inverter, FCML)研制了一種雙交錯(cuò)9級(jí)逆變器,其電路拓?fù)淙鐖D8所示。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,這種新型變換器的峰值效率為98.6%,重量功率密度為17.3 kW/kg,體積功率密度為35.3 kW/L。

在文獻(xiàn)[12]針對(duì)飛機(jī)混合電力推進(jìn)系統(tǒng),研制了一種直流母線電壓為2.4 kV的兆瓦級(jí)三相三電平兩級(jí)解耦有源中性點(diǎn)箝位(Three-level two-stage decoupled active neutral point clamped, TD-ANPC)逆變器,該逆變器的電路拓?fù)浜团渲萌鐖D9所示。此外,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,圖9所示逆變器的峰值效率為99.4%,功率密度為12.0 kW/kg。

圖9 三電平TD-ANPC逆變器的單相支路

2.3 交流-直流整流器

圖10所示電路拓?fù)錇橐环N新的用于多電飛機(jī)的三電平三開(kāi)關(guān)整流器,稱為Vienna整流器。文獻(xiàn)[13]對(duì)輸出功率水平為10 kW的三相升壓整流器、三相降壓整流器和三相Vienna整流器從重量、體積和航空電子應(yīng)用效率等方面進(jìn)行比較分析,結(jié)果表明,在不考慮可靠性的情況下Vienna整流器具有最高的功率密度。

圖10 三相三電平Vienna整流器

2.4 交流-交流變流器

在文獻(xiàn)[14]中,開(kāi)發(fā)了一種矩陣變換器,如圖11所示,用于作為地面電源裝置(GPU)為飛機(jī)電氣系統(tǒng)供電,并可啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。文獻(xiàn)[15]提出了一種單輸入雙輸出間接矩陣變換器(Indirect matrix converter, IMC)。將簡(jiǎn)單的雙管正激變換器(Two transistors forward converter, TTFC)添加到IMC的直流環(huán)路以獲得直流輸出電壓,如圖12所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,該電路具有結(jié)構(gòu)緊湊、交直流輸出獨(dú)立穩(wěn)定、整流級(jí)零電流開(kāi)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。

圖11 帶有濾波器的矩陣變換器GPU拓?fù)?/p>

圖12 單輸入雙輸出間接矩陣變換器拓?fù)?/p>

3 功率變換器開(kāi)發(fā)實(shí)例

3.1 功率變換器硬件開(kāi)發(fā)

3.1.1 直流側(cè)EMI濾波器

較高的開(kāi)關(guān)頻率和尖銳的開(kāi)關(guān)邊緣都會(huì)使SiC MOSFET的高頻諧波含量比Si IGBT的高頻諧波含量差約40～50 dB(100～300倍),這意味著在使用SiC器件時(shí),系統(tǒng)級(jí)EMI濾波器和布局方法需要進(jìn)行仔細(xì)分析。開(kāi)發(fā)的EMI濾波器的額定值分別為1.0 kA和±1.5 kV,其基本電路示意圖如圖13所示。

圖13 直流EMI濾波器的基本電路拓?fù)?/p>

3.1.2 dv/dt輸出濾波器

RLCdv/dt濾波器的電路拓?fù)淙鐖D14所示。從圖14可知,RLCdv/dt濾波器由三相差模單匝電感、阻尼電阻和薄膜電容器組成,薄膜電容器采用Y形連接,其中性點(diǎn)連接到直流母線中點(diǎn),以減輕共模dv/dt。

圖14 dv/dt濾波器的基本電路拓?fù)?/p>

3.2 ANPC變換器的新型PWM控制策略

SiC功率變換器實(shí)現(xiàn)的一個(gè)主要問(wèn)題是大型換相回路中顯著的雜散電感,將在變換器切換期間在功率器件中引起顯著的關(guān)斷電壓尖峰和開(kāi)關(guān)損耗。圖15(a)～(e)所示為逆變器的一個(gè)支路從正(P)狀態(tài)到負(fù)(N)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),圖中所有標(biāo)記為紅色的功率器件均為接通狀態(tài)(圖中加圈的功率器件)。當(dāng)逆變器從N狀態(tài)切換到P狀態(tài)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與圖15中所示的過(guò)程反向?qū)ΨQ(即開(kāi)關(guān)狀態(tài)路徑為N→NZ→CZ→PZ→P)。在這兩種狀態(tài)切換情況下,由圖15可知,電流僅在同一模塊中的兩個(gè)SiC器件之間交換,這樣的開(kāi)關(guān)損耗最小。

圖15 ANPC逆變器支路從P狀態(tài)切換到N狀態(tài)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)(紅色表示器件處于接通狀態(tài))

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證功率轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)功能和所提出的PWM策略,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了三相泵回測(cè)試。圖16所示為三相泵回操作的電路原理圖,圖中兩個(gè)三相3L-ANPC變換器單元以背靠背方式連接,交流側(cè)通過(guò)三個(gè)單相電感和一個(gè)CM電感耦合。一個(gè)變換器單元作為逆變器運(yùn)行,另一個(gè)作為整流器運(yùn)行,直流輸出反饋至直流電源。

圖16 三相泵回測(cè)試電路示意圖

直流側(cè)有兩個(gè)級(jí)聯(lián)EMI濾波器,3L-ANPC逆變器系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI測(cè)量結(jié)果如圖17所示。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,總傳導(dǎo)EMI(包括共模和差模EMI)低于EMC標(biāo)準(zhǔn)DO-160L限制線(即40 dB·μA)。圖18所示為dv/dt濾波器前后線電壓中dv/dt測(cè)量值對(duì)比圖。由圖18可以看出,RLC濾波器后的dv/dt減小到2～4 kV/μs之間,滿足小于5 kV/μs的要求。

圖17 設(shè)計(jì)的EMI濾波器的傳導(dǎo)EMI測(cè)量結(jié)果

圖18 RLC濾波器前后dv/dt測(cè)量結(jié)果

在直流母線電壓為±1.2 kV、開(kāi)關(guān)頻率為20.0 kHz、基波電流頻率為1.4 kHz、電流有效值為430 A的條件下,通過(guò)三相泵回試驗(yàn)測(cè)試3L-ANPC逆變器的全功率。圖19(a)和(b)分別顯示了直流母線電壓為±1.2 kV時(shí),輸出頻率分別為1.0 kHz和1.4 kHz時(shí)測(cè)得的輸出電壓和電流值。測(cè)得的三相3L-ANPC逆變器總損耗為9.6 kW,在額定功率因數(shù)為0.83時(shí),逆變器的效率為99%。

圖19 3L-ANPC逆變器在±1.2 kV線電壓和負(fù)載電流:(a)輸出頻率為1.0 kHz;(b)輸出頻率為1.4 kHz

4 結(jié)語(yǔ)

電力電子技術(shù)的最新進(jìn)展極大地促進(jìn)了多電飛機(jī)及混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展。本文對(duì)電力電子技術(shù)在多電飛機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,涵蓋了功率半導(dǎo)體器件的最新發(fā)展,以及各種新型功率變換拓?fù)涞陌l(fā)展。功率變換器的發(fā)展需要綜合考慮可靠性、高效率和高功率密度,有時(shí)由于這些因素之間的潛在沖突,必須做出妥協(xié)。例如,功率變換器的冗余設(shè)計(jì)提高了容錯(cuò)能力,但降低了變換器效率和功率密度。本文介紹的用于多電飛機(jī)及混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的兆瓦級(jí)中壓3L-ANPC功率變換器,以其獨(dú)特的硬件電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)和新穎的控制策略,在地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中,在額定工作條件下實(shí)現(xiàn)了99%的高效率和12 kVA/kg的高功率密度,后續(xù)還必須考慮各種不同的運(yùn)行工況,并且需要在多電飛機(jī)及混合電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際的飛行實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下對(duì)關(guān)鍵技術(shù)(如直流斷路器的性能)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。