王 鶴,陳永祿

(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

0 引言

多電飛機技術(shù)是航空科技發(fā)展的全新技術(shù)。多電飛機(More electric aircraft, MEA)用電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)二次能源,可簡化飛機能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu),且可優(yōu)化飛機性能、降低運行和維護成本、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)有助于提高飛機可靠性,降低復(fù)雜性,減少冗余,減輕重量,降低安裝和維護成本[1]。MEA通過發(fā)動機起動發(fā)電機對航空發(fā)動機進行電起動,可降低發(fā)動機起動功率。MEA采用電動泵代替發(fā)動機引氣系統(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可以提高飛機的能量轉(zhuǎn)換效率。

作為商業(yè)運營中電氣化程度最高的多電飛機,波音787“夢幻客機”通過六臺發(fā)電機產(chǎn)生的最大總發(fā)電功率可達1.45 MW[3]。圖1(a)所示為波音787“夢幻客機”的電氣系統(tǒng)簡化框圖。由圖1(a)可知,電力電子技術(shù)在多電飛機的全電氣化發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。圖1(b)所示為飛機混合電力推進系統(tǒng)的簡化框圖,由圖1(b)可知,DC-AC功率變換器在飛機混合電力推進系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。該系統(tǒng)是將發(fā)電機和電動機進行電氣互連,并調(diào)節(jié)它們之間的功率,實現(xiàn)高效率高功率密度的混合電力推進。

圖1 (a) 多電飛機中主要電氣系統(tǒng)簡化框圖;(b)飛機混合電力推進系統(tǒng)的簡化框圖

1 功率半導(dǎo)體器件和固態(tài)保護

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關(guān)損耗、更快的開關(guān)速度、更高的擊穿電壓和更高的熔點[4]。金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(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產(chǎn)生相當大的損耗,碳化硅MOSFET將成為高效高功率密度功率變換器的最佳選擇。

實際上,采用快速開關(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)級電磁干擾濾波器和布局方法需要仔細設(shè)計;(2)與同功率的硅基器件相比,因為碳化硅MOSFET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電壓上升時間短,將在負載側(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,碳化硅開關(guān)器件的可靠性非常高。當阻斷電壓接近器件額定電壓時,碳化硅MOSFET的故障率遠低于硅基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關(guān)損耗低、開關(guān)速度快和熔點高等優(yōu)點,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,例如可用于功率小于10 kW的開關(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,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。實驗結(jié)果表明,母線電壓為270 V時,對于250 A短路故障的斷開動作可控制在10 μs之內(nèi),對于450 A的短路故障斷開動作可控制在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,實驗結(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[8]中報道的一種三端口DC-DC變換器,該變換器用于和太陽能光伏、電池和太陽能電池的直流負載電源系統(tǒng)連接。實驗結(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[9]報道了一種基于增強型氮化鎵器件的雙輸出三電平DC-DC變換器,該變換器可用作機載電池充電器,其電路拓撲如圖6所示。

圖6 電容鉗位雙輸出3電平DC-DC變換器拓撲

2.2 直流-交流逆變器

在文獻[10]中設(shè)計了一種新型具有零電流開關(guān)(Zero current switching, ZCS)的模塊化無槽逆變器,用于多電飛機的大功率直流-交流變換。這種新型逆變器的電路拓撲如圖7所示。由圖7可知,ZCS狀態(tài)是通過在逆變器級以比分區(qū)級更寬的占空比切換開關(guān)器件獲得的。

圖7 MEA模塊化無槽ZCS逆變器拓撲

在文獻[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9級逆變器,其電路拓撲如圖8所示。根據(jù)文獻[11]的實驗測試結(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[12]針對飛機混合電力推進系統(tǒng),研制了一種直流母線電壓為2.4 kV的兆瓦級三相三電平兩級解耦有源中性點箝位(Three-level two-stage decoupled active neutral point clamped, TD-ANPC)逆變器,該逆變器的電路拓撲和配置如圖9所示。此外,實驗測試結(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所示電路拓撲為一種新的用于多電飛機的三電平三開關(guān)整流器,稱為Vienna整流器。文獻[13]對輸出功率水平為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[14]中,開發(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)為飛機電氣系統(tǒng)供電,并可啟動飛機發(fā)動機。文獻[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。實驗測試結(jié)果表明,該電路具有結(jié)構(gòu)緊湊、交直流輸出獨立穩(wěn)定、整流級零電流開關(guān)等優(yōu)點。

圖11 帶有濾波器的矩陣變換器GPU拓撲

圖12 單輸入雙輸出間接矩陣變換器拓撲

3 功率變換器開發(fā)實例

3.1 功率變換器硬件開發(fā)

3.1.1 直流側(cè)EMI濾波器

較高的開關(guān)頻率和尖銳的開關(guān)邊緣都會使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,系統(tǒng)級EMI濾波器和布局方法需要進行仔細分析。開發(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撲

3.1.2 dv/dt輸出濾波器

RLCdv/dt濾波器的電路拓撲如圖14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,其中性點連接到直流母線中點,以減輕共模dv/dt。

圖14 dv/dt濾波器的基本電路拓撲

3.2 ANPC變換器的新型PWM控制策略

SiC功率變換器實現(xiàn)的一個主要問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)斷電壓尖峰和開關(guān)損耗。圖15(a)～(e)所示為逆變器的一個支路從正(P)狀態(tài)到負(N)狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài),圖中所有標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)。當逆變器從N狀態(tài)切換到P狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài)與圖15中所示的過程反向?qū)ΨQ(即開關(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SiC器件之間交換,這樣的開關(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)的開關(guān)狀態(tài)(紅色表示器件處于接通狀態(tài))

3.3 實驗結(jié)果

為了驗證功率轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計功能和所提出的PWM策略,在實驗室進行了三相泵回測試。圖16所示為三相泵回操作的電路原理圖,圖中兩個三相3L-ANPC變換器單元以背靠背方式連接,交流側(cè)通過三個單相電感和一個CM電感耦合。一個變換器單元作為逆變器運行,另一個作為整流器運行,直流輸出反饋至直流電源。

圖16 三相泵回測試電路示意圖

直流側(cè)有兩個級聯(lián)EMI濾波器,3L-ANPC逆變器系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI測量結(jié)果如圖17所示。初步實驗結(jié)果表明,總傳導(dǎo)EMI(包括共模和差模EMI)低于EMC標準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測量值對比圖。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)計的EMI濾波器的傳導(dǎo)EMI測量結(jié)果

圖18 RLC濾波器前后dv/dt測量結(jié)果

在直流母線電壓為±1.2 kV、開關(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,通過三相泵回試驗測試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,輸出頻率分別為1.0 kHz和1.4 kHz時測得的輸出電壓和電流值。測得的三相3L-ANPC逆變器總損耗為9.6 kW,在額定功率因數(shù)為0.83時,逆變器的效率為99%。

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

4 結(jié)語

電力電子技術(shù)的最新進展極大地促進了多電飛機及混合動力系統(tǒng)的發(fā)展。本文對電力電子技術(shù)在多電飛機中的應(yīng)用進行了綜述,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撲的發(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)計提高了容錯能力,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及混合電力推進系統(tǒng)的兆瓦級中壓3L-ANPC功率變換器,以其獨特的硬件電路拓撲設(shè)計和新穎的控制策略,在地面實驗驗證中,在額定工作條件下實現(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行工況,并且需要在多電飛機及混合電力推進系統(tǒng)實際的飛行實驗場景下對關(guān)鍵技術(shù)(如直流斷路器的性能)進行實驗驗證。