高功率密度雙輸出航空地面電源設計

摘 要：航空地面電源用于啟動與檢查飛機及機載設備，是飛機必備的地面保障設備。為了實現(xiàn)飛機地面電源保障設備的小型化，基于多機種保障考慮，選用寬禁帶半導體碳化硅（SiC）材料，以DSP+ARM為雙核全數(shù)字控制器，采用電流/電壓雙閉環(huán)PI算法控制，使用12脈波變壓整流器將輸入的市電變換為平穩(wěn)的直流電，基于空間矢量脈寬調制SVPWM原理設計組合式單相全橋逆變電路，將直流電變換為低諧波高頻交流電，通過變壓整流濾波最終實現(xiàn)AC115 V/400 Hz和DC28 V電源雙輸出，提高了飛機地面電源保障的便捷性與靈活性。

關鍵詞：航空地面電源；多機種；雙輸出

中圖分類號：V351.31""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0030-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.008

0""" 引言

航空地面電源是用于飛機地面通電檢查及日常維護的重要設備。近年來，隨著飛機多電技術快速發(fā)展，飛機數(shù)量激增，飛機所需地面電源種類越來越豐富，保障規(guī)模日益擴大，保障任務日趨繁重，這就對航空地面電源保障裝備的小型化、功能多樣化等方面提出了新的要求。基于以上要求，高功率密度、多輸出保障一體化已經(jīng)成為航空地面電源的發(fā)展趨勢。

目前，航空地面電源主要分為航空電源車、靜變電源兩類。其中傳統(tǒng)的電源車體積大、能耗高、噪聲與大氣污染重、供電品質低，再加上20世紀70年代以來電力電子技術飛速發(fā)展，電源車有逐步被靜變電源取代的趨勢[1]。靜變電源綜合功率半導體器件與現(xiàn)代控制技術，通過變流將工頻電源變換為飛機所需要的電源，通常可置于飛機機位附近，能夠縮短供電準備時間，提高保障可靠性，減輕航空保障任務。但現(xiàn)有的靜變電源大多只能輸出單一類型電源，無法實現(xiàn)多機種綜合保障。

當前，靜變電源多采用第二代絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率半導體器件，隨著高功率密度第三代功率器件材料的發(fā)展，以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶材料為靜變電源在提升功率密度、促進小型化方面提供了創(chuàng)新突破的技術條件。同時，當前飛機地面保障設備種類、數(shù)量繁多，地面電源的小型化對航空地面保障便捷性、靈活性有重要意義。因此，本文提出了一種高功率密度交直流多輸出AC115 V/400 Hz和DC28 V的航空地面電源設計。

1""" 總體設計

本航空地面電源總體設計方案原理如圖1所示，AC115 V/400 Hz和DC28 V為兩套基本原理相似的獨立系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)主拓撲結構均采用交—直—交模式，如圖2所示。前級輸入整流電路采用12脈波變壓整流器，后級逆變部分采用SVPWM組合式單相全橋逆變電路，功率開關采用碳化硅（SiC）器件，通過變壓器變換至合適的電壓并濾波后輸出。交流與直流輸出系統(tǒng)均基于電流/電壓雙閉環(huán)PI算法，采用DSP+ARM雙核全數(shù)字控制器。

然而，供電種類與系統(tǒng)的增加提升了控制系統(tǒng)的復雜度，同時如何減小設備體積質量并保證供電品質與可靠性成為設計難點。選擇合適的功率開關器件是提升電源功率密度的核心要素，在功率電源設計中，功率開關器件的導通損耗和開關損耗是制約電源體積、導致電路發(fā)熱的主要因素之一，且工作頻率越高，開關損耗越大。

以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶材料被譽為第三代功率器件材料，具有耐高壓、易散熱、導通與開關損耗低等傳統(tǒng)Si功率半導體器件無法比擬的特性，減小了電力電子設備在高溫、高功率、高壓等惡劣工況下的設計難度。相比目前通用硅型功率器件（IGBT），2009年三菱電機研發(fā)的11 kW SiC功率變換器，功率損耗下降70%，同時SiC封裝尺寸更小，設備功率密度顯著提升[2]。本文根據(jù)高功率密度設計要求，逆變器中的核心開關器件均選用SiC MOSFET。

2""" 12脈波變壓整流器

50 Hz交流市電經(jīng)輸入濾波后，先由12脈波變壓器移相[3]，再經(jīng)整流器分別整流并聯(lián)輸出，可減少電源對電網(wǎng)污染/畸變的影響，輸出更為平穩(wěn)的直流電。整流器由Y/Y/△型隔離變壓器、三相半控整流橋電路、平衡電抗器、濾波電容等組成，開關器件選用可控硅晶閘管，如圖3所示。

隔離變壓器原邊的三個單相繞組互相獨立，副邊繞組分別采用星形和三角形連接，星形與三角形連接繞組匝數(shù)比為1：1： ，星形輸出電壓相位與原邊相同，三角形輸出電壓相位與原邊相差30°。在啟動時，通過調節(jié)晶閘管出發(fā)角α，逐漸增大輸出整流電壓，減小電流沖擊，實現(xiàn)軟啟動。平衡電抗器可吸收并聯(lián)兩路整流器的瞬時電壓差，保證兩路整流橋可以獨立工作，使輸入電流波形在一個周期內為12階梯波，輸出電壓推導原理如下：

假設輸入三相電壓Vs為：

Vs=VaVbVc= V0sin（ωt）sin（ωt-2π/3）sin（ωt+2π/3）

式中：Va、Vb、Vc為各相電壓；V0為各相電壓的有效值；ω為輸入電壓的角頻率；t為時間。

三相晶閘管開關函數(shù)Sv為：

Sv（ωt）=[Sa（ωt），Sb（ωt），Sc（ωt）]

α為導通角，各相晶閘管開關函數(shù)Sa（ωt），Sb（ωt），Sc（ωt）分別為：

Sa（ωt）=+1， α+π/6≤ωt≤α+5π/6，-1， α+7π/6≤ωt≤α+11π/6，0，" 其他

Sb（ωt）=Sa（ωt-2π/3）

Sc（ωt）=Sa（ωt+2π/3）

調制直流輸出電壓Vd：

Vd=Sv（ωt）·Vs

假設α=0，則星形與三角形副邊繞組輸出整流波形每隔π/3周期重復1次，在一個工頻周期內各脈動6次，星形輸出電壓Vd1、三角形輸出電壓Vd2時域表達式為：

Vd1（ωt）= V0[sin（ωt）-sin（ωt-2π/3）]

= V0sin（ωt+π/6），ωt∈[π/6，π/2]

Vd2（ωt）=Vd1（ωt-π/6）

= V0sin（ωt），ωt∈[π/3，2π/3]

當兩組三相整流橋經(jīng)平衡電抗器并聯(lián)后，輸出電壓Vdc時域函數(shù)為：

Vdc= （Vd1+Vd2）= V[sin（ωt+π/6）+sin（ωt）]，

ωt∈[π/3，π/2]

經(jīng)傅里葉分解后：

Vdc（wt）= V0- V0 cos（12wt）+…-

V0 cos（12nwt），n=2，3，4，…

因此，本文整流變壓器在單個工頻周期內輸出脈動次數(shù)可達12次，理想情況下，輸出電流僅含12n±1次諧波，輸入電流總畸變率（THD）為15.22%。

3""" 逆變電路

逆變器是靜變電源的關鍵技術，決定輸出電能質量。由于飛機負載常為三相不平衡的阻感性負載，且航空電源容量大，逆變部分開關管頻率高、電流大，因此選擇合適的逆變器拓撲結構十分重要。

3.1""" 組合式多相逆變電路

對于115 V模塊，需考慮提高對不平衡負載的適應能力，對于28 V模塊，需考慮低壓大電流輸出的穩(wěn)定性與安全性，因此本文采用基于SVPWM的組合式單相逆變器[4]。115 V模塊由3個獨立且隔離的單相逆變器組成，級聯(lián)變壓器濾波輸出，如圖4所示。28 V直流模塊由4個單相逆變器組成，級聯(lián)變壓器整流濾波并聯(lián)輸出，如圖5所示，均采用SVPWM調制方法。

3.2""" 單相SVPWM原理

SVPWM主要原理是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考，依據(jù)電機磁鏈和電壓關系，在一個開關周期內，通過對基本電壓矢量組合合成給定參考電壓矢量，建立三相全橋逆變電路中功率開關器件的導通狀態(tài)，形成PWM波，具有直流電壓利用率高、開關損耗小、輸出諧波小等優(yōu)點[5-6]。

基于三相SVPWM原理與優(yōu)點，發(fā)展出單相SVPWM。在單相全橋逆變電路中，每個橋臂的開關狀態(tài)以Si表示，Si=1代表上管導通下管關斷，0則相反。功率開關管共有4種工作狀態(tài)，可輸出4種基本電壓空間矢量，如表1所示。空間矢量圖如圖6所示，主要由兩個非零矢量和兩個零矢量構成。

根據(jù)PWM算法的伏秒平衡原則，通過控制基本電壓空間矢量作用時間，可得到參考電壓矢量Vr。其中，非零矢量作用的時間用零矢量填充，非零矢量作用時間為Tk，零矢量作用時間為T0，SVPWM調制周期為Ts，參考電壓矢量Vr表達式為：

Vr= Vk+ V4（V3），Tk= Ts，"""""""""""""" k=1，2T0=Ts-Tk

4""" 控制系統(tǒng)

控制電路采用DSP+ARM雙核全數(shù)字控制，具有兩套獨立的控制電路分別控制115 V交流與28 V直流輸出，具有運算能力強、速度快和任務調度能力強的優(yōu)點。DSP用于對電壓、電流等實時調控、高速測量及參數(shù)計算，可產生SVPWM波形控制SiC MOSFET。ARM處理器用于I/O控制、參數(shù)監(jiān)視、顯示器/按鍵與外部通信。雙核控制系統(tǒng)實時監(jiān)控設備電流、電壓以及溫度等參數(shù)，具有開機自檢、故障診斷與豐富的保護功能，如輸入過壓、欠壓、相序保護，逆變器故障保護，直流母線過壓保護，變壓器過溫保護，輸出過壓、欠壓、過流保護等。電源一旦出現(xiàn)故障，立即進入保護狀態(tài)，并記錄當前故障，便于維修查詢。

由于飛機負載是不平衡且不固定的動態(tài)負載，且需抑制電路本身諧波含量，本電源在控制上采用電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)PI控制算法[7]，如圖7所示。其中，PI調節(jié)器中比例環(huán)節(jié)負責加快系統(tǒng)響應速度，積分環(huán)節(jié)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)具有更好的靜態(tài)特性。電壓外環(huán)部分將輸出反饋電壓Uf與基準參考正弦電壓Uref進行對比，差值經(jīng)過電壓PI調節(jié)器運算，得到電流基準值Ig。電流內環(huán)部分進一步將Ig與負載反饋電流If對比，差值經(jīng)過電流PI調節(jié)器運算，運算結果送入SVPWM控制環(huán)節(jié)，調整功率開關導通時間，從而實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定控制。

在本控制方法下，當電壓發(fā)生變化時輸出電流隨之變化，電流內環(huán)會抑制電壓變化，從而減小電壓波動，節(jié)約電壓調節(jié)時間，加快系統(tǒng)響應速度。

5""" 結束語

本文以保障功能齊全豐富、多機種保障、小型便捷等為出發(fā)點，引入高功率密度的SiC MOSFET功率開關器件，設計基于SVPWM組合式單相全橋逆變器，采用DSP+ARM雙核全數(shù)字控制器，實現(xiàn)一種高功率密度、AC115 V/400 Hz和DC28 V雙路輸出的航空地面電源的設計，可同時保障飛機交直流供電任務，提升保障效率，節(jié)約保障成本。

[參考文獻]

[1] 丁予.飛機直線加電系統(tǒng)及其關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[2] 王學梅.寬禁帶碳化硅功率器件在電動汽車中的研究與應用[J].中國電機工程學報，2014，34（3）：371-379.

[3] 高朝暉，張曉斌，劉敏.帶均衡電抗器12脈波變壓整流器仿真模型的研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2006，18（7）：1976-1979.

[4] 裴雪軍，劉明先，康勇.組合式三相逆變器并聯(lián)控制技術研究[J].電力電子技術，2012，46（1）：99-101.

[5] 吳立業(yè).基于SiC MOSFET與單相SVPWM技術的高頻逆變電源研究[D].濟南：山東大學，2020.

[6] 高搖光.單、三相逆變器SVPWM的新方案研究[D].濟南：山東大學，2010.

[7] 汪浩洋.基于DSP的5KVA變頻電源研制[D].北京：北京交通大學，2010.

收稿日期：2024-09-12

作者簡介：鄒家祥（1974—），男，江蘇揚州人，碩士，高級工程師，研究方向：航空地面保障裝設備。

通信作者：苗春存（1987—），男，山東滕州人，碩士，高級工程師，研究方向：航空地面保障裝設備。