专利名称：具有改进的电压输出特征的飞行器功率转换器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电源，特别涉及用于将AC电转换成DC电、以使各种飞行器系统运转的飞行器用电源。
背景技术：
图1描述了AC-DC功率转换器形式的现有技术的飞行器电源，该飞行器电源从飞行器发电机接收三相输入AC功率。该三相输入AC电可以为典型的40Hz的三相200VAC功率。转换器使该输入通过功率变压器T1降压、将二次电压整流并对其进行滤波，从而提供28VDC输出。更具体地，通过L网络输入滤波器提供三相输入，并且将该三相输入连接到Y接法(Wye configuration)的功率变压器T1的一次侧。变压器具有两个二次绕组，其中一个以Δ拓扑连接，另一个以Y拓扑连接。这些二次绕组连接到由一组功率二极管CR1-CR12组成的整流器，功率二极管CR1-CR12为二次电压提供全波整流，其中低压端通过相间变压器T2接地，相间变压器T2操作以使Δ波形与Y波形磁耦合在一起。相间变压器包括一对高压抽头，其连接到故障检测继电器Z1，继电器Z1例如为FADEC系统提供转换器状态信息。整流器的正极输出连接到40Ω、25W的泄漏电阻R1和π滤波器网络，其中泄漏电阻R1在空载或低负载情况下限制输出电压，而π滤波器网络包括94μF的电容，并且整流器与π滤波器网络被0.1mΩ、0.3μH的电感隔开。
根据图1的示意图构造的、典型的现有技术的电路具有严重依赖于负载的电压输出特性曲线。例如，对于额定提供28VDC输出的电路来说，电路的空载输出可能为33VDC，而重负载输出(即输出电流＞50安培)可能低于27VDC，并且输出电压随着负载增大而继续下降。该输出电压-负载曲线除了在低负载时之外(即小于5安培)，大多数情况下是线性的。结果是电源提供了约28％的有限的调整(即在额定的28VDC附近具有高达8伏的摆动)。此外，在转换器的输出端看到的纹波电压通常约为1.5Vp-p(峰间电压值)。虽然该纹波电压特性可以满足例如MIL-STD 704的应用要求，但是高功率纹波的这些量可能会不希望地影响通信和其他机载(on-board)系统。
传统上，已经利用例如线性调节器、触发SCR和PWM或其他开关模式的电压调节器的闭环反馈控制拓扑实现了对输出电压水平和纹波调节的改进。这些反馈系统监测输出电压并相应地调整其操作，以实现较好的调节输出。对于28VDC/100安培的电源来说，典型的输出特性曲线包括将电压调整到1VDC，将纹波电压调整到0.4Vp-p。然而，利用这些电路结构实现的改进的调节可能存在某些缺点。例如，线性调节器具有相对较低的频率，并且较多的功率会以热量的形式损失，这样可能需要付出大量的工作来进行热管理。此外，开关模式的电压可以产生相当大的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电阻、电容、二极管和电感的无源器件差很多。在飞行器应用中可靠性是非常重要的。
发明内容
根据本发明，提供一种多相AC-DC飞行器功率转换器，其具有输入滤波器、功率变压器、整流器和输出滤波器，其中所述功率变压器包括一次绕组和一对二次绕组，所述输入滤波器接收多相AC输入功率并连接以向所述功率变压器的一次绕组提供经滤波的输入功率，所述二次绕组连接到所述整流器，所述整流器提供连接到所述输出滤波器的DC输出，其特征在于，所述转换器包括位于所述输出滤波器处的虚拟负载，所述虚拟负载从所述DC输出中分流足够大的电流，从而使所述转换器在小于5安培的低负载到大于50安培的高负载的负载范围内，工作于基本为线性的I-V特性曲线上。
在一种实施方案中，所述虚拟负载可以为具有足以分流需要的电流量的总阻值的一个或多个电阻。此外，在另一种实施方案中，所述输出滤波器可设有高存储的输出电容(例如1000μF或1000μF以上)，用以对来自于整流器的纹波电流进行滤波并提供小于1.5Vp-p的电压纹波调节。
下面将结合附图描述本发明的优选示例性实施方案，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中图1是现有技术的三相AC-DC飞行器功率转换器的示意图，其中所述功率转换器以额定200VAC、400Hz为动力来运转并且提供用以处理0-100安培的负载的28VDC输出；图2是根据本发明构造的三相AC-DC飞行器功率转换器的示意图；以及图3是比较图1和图2的电路的输出I-V特性曲线的图。
具体实施例方式
图2描述了本发明的实施方案。该电路与图1的现有技术的转换器的相似之处在于，使用了相同的输入滤波器、Y到Δ-Y变压器、以及整流器电路配置，用以将400Hz的三相200VAC转换为28VDC、0-100安培的输出。图2中的电路还包括如上所述那样连接的相间变压器T2、故障检测继电器Z1、风扇马达B1、插座J1以及终端电路板TB1。然而，与图1中现有技术的电路的不同之处在于，图2的电路采用组合的输出级虚拟负载和大的电容滤波器，以提供改进的电压级和纹波调节。利用10Ω的小欧姆负载阻抗(如图所示那样采用并联的四个40Ω、25W的电阻来实现)来实现改进的电压级调节。该虚拟负载仅用作泄漏电阻，它甚至在转换器输出端无负载的情况下也可以分流出足够大的电流，从而使转换器总是工作在其固有的输出电压-负载电流特征曲线的主要线性部分。在该实施方案中，虚拟负载分流出通过功率二极管CR1-CR12的、足够的电流而使功率二极管CR1-CR12趋向于满正向传导电压(例如0.7伏)，并且使它们保持稍微变热，从而使它们的电压特性曲线即使在满输出负载的情况下也不会改变。变压器T1的匝比稍稍降低(大约2-3％)，以补偿由虚拟负载造成的降低的空载输出电压。这一点可以通过使变压器T1的一次绕组(从通常约100匝中)减少2-3匝来实现。
根据图2的实施方案，使用虚拟负载并结合L网络输出滤波器来改进电压级调节，其中L网络输出滤波器在正电压输出线路中采用(在1kHz时测量的)1.9mΩ、53.8μH的电感，并通过输出终端连接3000μF的电容。增强的电容滤波器与虚拟负载结合，从而提供了大约30-60％更佳的电压级调节和大约50-95％的更佳的电压纹波调节。例如，图2所示的电路可以提供从空载到100安培负载、约3-5伏的输出电压变化，并同时提供不超过1.0Vp-p、优选不超过0.5Vp-p、并且在特别优选的实施方案中提供不超过0.2Vp-p的纹波幅值。此外，仅利用无源器件且在不带反馈的情况下实现该电压调节。因而，图2的电路提供了与采用闭环控制反馈方案实现的输出电压类似的经过调整的输出电压，并且不存在线性调节器的低效率、开关模式的EMI以及这些电压和基于SCR的电源的可靠性的降低。
图3描述了图1现有技术的输出I-V特性曲线与图2的实施方案的输出I-V特性曲线的比较。可以看出，图2的电路的I-V特性曲线在从低负载(5安培以下)到高负载(50安培以上)、再一直到150安培的范围内基本是线性的，并且对于5安培或5安培以上的所有输出负载都是高度线性的。图2的电路所提供的调节在1安培到150范围内为±1.0VDC、而在0(空载)到150安培的整个范围内仅提高到±1.25VDC。
应当理解，前面的描述并不是对本发明本身的描述，而是对本发明的一个或多个优选示例性实施方案的描述。本发明并不局限于本文公开的特殊的实施方案，而是仅受到以下权利要求的限定。此外，前面的描述中包含的声明与本发明的特殊的实施方案有关，而不应解释为是对本发明的范围的限制或者对权利要求中所使用的术语的限定，除非以上对术语或语句明确限定的情况下。各种其他的实施方案以及对已公开的实施方案的各种改动和修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。例如，可以在输出滤波器之后而不是如图2所示那样在输出滤波器之前设置虚拟负载阻抗。此外，可以采用其他的输出滤波器配置，只要它们提供特殊应用可接受的电压纹波水平。此外，给出本文公开的特定的组件值和示意性设计，是为了提供可用于一个特殊的应用--200VAC到28VDC飞行器电源的实施方案的特定实施例。其他的应用将会采用其他的组件、组件值和电路设计。所有这些其他的实施方案、改动和修改都落在所附权利要求的范围之内。
说明书和权利要求书中使用的术语“例如”、动词“包含”、“具有”、“包括”以及与一个或多个组件或其他术语一起使用的其他的动词形式均应解释为开放式的，这就意味着列表不应被看作是排除其他附加组件或术语。利用其他术语的最广泛的合理含义来解释这些术语，除非它们用于需要不同解释的上下文中。
权利要求
1.一种多相AC-DC飞行器功率转换器，其具有输入滤波器、功率变压器、整流器和输出滤波器，其中所述功率变压器包括一次绕组和一对二次绕组，所述输入滤波器接收多相AC输入功率并连接以向所述功率变压器的一次绕组提供经滤波的输入功率，所述二次绕组连接到所述整流器，所述整流器提供连接到所述输出滤波器的DC输出，其特征在于所述转换器包括位于所述输出滤波器处的虚拟负载，所述虚拟负载从所述DC输出中分流足够大的电流，从而使所述转换器在小于5安培的低负载到大于50安培的高负载的负载范围内，工作于基本为线性的I-V特性曲线上。
2.如权利要求1所述的飞行器功率转换器，其中所述输出滤波器包括高存储输出电容，所述输出电容对来自于所述整流器的DC输出进行滤波，并提供小于1.0Vp-p的电压纹波调节。
3.如权利要求2所述的飞行器功率转换器，其中所述输出电容具有至少1000μF的电容，并且提供小于0.5Vp-p的电压纹波调节。
4.如权利要求2所述的飞行器功率转换器，其中所述输出滤波器包括与所述DC输出串联的电感。
5.如权利要求4所述的飞行器功率转换器，其中所述输出滤波器包括L型网络输出滤波器。
6.如权利要求1所述的飞行器功率转换器，其中所述虚拟负载包括多个相互并联的高瓦特电阻。
7.如权利要求1所述的飞行器功率转换器，其中所述整流器包括被连接以对所述二次绕组的电压进行全波整流的多个二极管，并且所述虚拟负载包括一个或多个电阻，所述一个或多个电阻具有的总阻值能够使其在零输出电流负载情况下，分流出通过所述二极管的足够大的电流，以使所述二极管工作在其满正向传导电压下。
8.如权利要求1所述的飞行器功率转换器，其中所述一次绕组以Y接法连接，以接收输入功率，所述二次绕组之一以Δ接法连接，而所述二次绕组中的另一个以Y接法连接，并且其中所述整流器包括两组二极管，其中每一组分别连接到所述二次绕组之一以提供全波整流，所述二极管的低压端通过相间变压器接地。
9.如权利要求1所述的飞行器功率转换器，其中所述转换器接收未经调节的40Hz的三相200VAC，并且在电流为0安培到150安培的负载范围内提供电压变化不超过3伏、电压纹波小于0.5Vp-p的DC输出。
10.如权利要求1所述的飞行器功率转换器，其中所述转换器仅包含不带反馈的无源组件。
11.一种多相AC-DC飞行器功率转换器，包括多条输入线路，用于接收三相AC输入功率；功率变压器，其具有一次绕组和一对二次绕组，所述一次绕组以Y接法连接到所述输入线路以接收所述三相AC输入功率；整流器，包括多个连接为全波整流器以提供DC输出的二极管，所述变压器的二次绕组包括以Δ接法连接到所述二极管的第一组的第一绕组、以及以Y接法连接到所述二极管的第二组的第二绕组，其中所述二极管通过相间变压器接地；电阻负载，其跨接于所述整流器的DC输出；以及输出滤波器，其包括至少一个电容，所述电容连接以对所述整流器的DC输出进行滤波并提供电压纹波调节；其中所述电阻负载通过所述二极管分流足够大的电流，以使所述二极管工作在其满正向传导电压下，而不管是否存在任何外部负载。
12.如权利要求11所述的飞行器功率转换器，其中所述输出滤波器包括在所述电容之前串联的电感，所述电容具有1000μF或1000μF以上的电容值，并且所述输出滤波器提供小于1.0Vp-p的电压。
13.如权利要求11所述的飞行器功率转换器，其中所述转换器仅包含不带反馈的无源组件。
14.如权利要求11所述的飞行器功率转换器，其中所述电阻负载从所述DC输出中分流足够大的电流，从而使所述转换器在小于5安培的低负载到大于50安培的高负载的负载范围内，工作于基本为线性的I-V特性曲线上。
全文摘要
本发明提供一种具有改进的电压输出特征的多相AC－DC飞行器功率转换器，其具有输入滤波器、功率变压器、整流器和输出滤波器，其中所述功率变压器包括一次绕组和一对二次绕组，所述输入滤波器接收多相AC输入功率并连接以向所述功率变压器的一次绕组提供经滤波的输入功率，所述二次绕组连接到所述整流器，所述整流器提供连接到所述输出滤波器的DC输出，其特征在于，所述转换器包括位于所述输出滤波器处的虚拟负载，所述虚拟负载从所述DC输出中分流足够大的电流，从而使所述转换器在小于5安培的低负载到大于50安培的高负载的负载范围内，工作于基本为线性的I－V特性曲线上。
文档编号H02M1/14GK101071990SQ20071008953
公开日2007年11月14日 申请日期2007年3月29日 优先权日2007年3月29日
发明者约翰·德维特·科蒂汉姆三世 申请人:冠军航天有限公司