摘 要：航空地面電源用于啟動(dòng)與檢查飛機(jī)及機(jī)載設(shè)備，是飛機(jī)必備的地面保障設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)地面電源保障設(shè)備的小型化，基于多機(jī)種保障考慮，選用寬禁帶半導(dǎo)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(diào)制SVPWM原理設(shè)計(jì)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(guò)變壓整流濾波最終實(shí)現(xiàn)AC115 V/400 Hz和DC28 V電源雙輸出，提高了飛機(jī)地面電源保障的便捷性與靈活性。

關(guān)鍵詞：航空地面電源；多機(jī)種；雙輸出

中圖分類號(hào)：V351.31""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：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(jī)地面通電檢查及日常維護(hù)的重要設(shè)備。近年來(lái)，隨著飛機(jī)多電技術(shù)快速發(fā)展，飛機(jī)數(shù)量激增，飛機(jī)所需地面電源種類越來(lái)越豐富，保障規(guī)模日益擴(kuò)大，保障任務(wù)日趨繁重，這就對(duì)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?；谝陨弦?，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(shì)。

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(zhì)低，再加上20世紀(jì)70年代以來(lái)電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，電源車有逐步被靜變電源取代的趨勢(shì)[1]。靜變電源綜合功率半導(dǎo)體器件與現(xiàn)代控制技術(shù)，通過(guò)變流將工頻電源變換為飛機(jī)所需要的電源，通?？芍糜陲w機(jī)機(jī)位附近，能夠縮短供電準(zhǔn)備時(shí)間，提高保障可靠性，減輕航空保障任務(wù)。但現(xiàn)有的靜變電源大多只能輸出單一類型電源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多機(jī)種綜合保障。

當(dāng)前，靜變電源多采用第二代絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率半導(dǎo)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(jìn)小型化方面提供了創(chuàng)新突破的技術(shù)條件。同時(shí)，當(dāng)前飛機(jī)地面保障設(shè)備種類、數(shù)量繁多，地面電源的小型化對(duì)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(shè)計(jì)。

1""" 總體設(shè)計(jì)

本航空地面電源總體設(shè)計(jì)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(dú)立系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均采用交—直—交模式，如圖2所示。前級(jí)輸入整流電路采用12脈波變壓整流器，后級(jí)逆變部分采用SVPWM組合式單相全橋逆變電路，功率開關(guān)采用碳化硅（SiC）器件，通過(guò)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(fù)雜度，同時(shí)如何減小設(shè)備體積質(zhì)量并保證供電品質(zhì)與可靠性成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。選擇合適的功率開關(guān)器件是提升電源功率密度的核心要素，在功率電源設(shè)計(jì)中，功率開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗是制約電源體積、導(dǎo)致電路發(fā)熱的主要因素之一，且工作頻率越高，開關(guān)損耗越大。

以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶材料被譽(yù)為第三代功率器件材料，具有耐高壓、易散熱、導(dǎo)通與開關(guān)損耗低等傳統(tǒng)Si功率半導(dǎo)體器件無(wú)法比擬的特性，減小了電力電子設(shè)備在高溫、高功率、高壓等惡劣工況下的設(shè)計(jì)難度。相比目前通用硅型功率器件（IGBT），2009年三菱電機(jī)研發(fā)的11 kW SiC功率變換器，功率損耗下降70%，同時(shí)SiC封裝尺寸更小，設(shè)備功率密度顯著提升[2]。本文根據(jù)高功率密度設(shè)計(jì)要求，逆變器中的核心開關(guān)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(duì)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(guān)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(gè)單相繞組互相獨(dú)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(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)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(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。平衡電抗器可吸收并聯(lián)兩路整流器的瞬時(shí)電壓差，保證兩路整流橋可以獨(dú)立工作，使輸入電流波形在一個(gè)周期內(nèi)為12階梯波，輸出電壓推導(dǎo)原理如下：

假設(shè)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(shí)間。

三相晶閘管開關(guān)函數(shù)Sv為：

Sv（ωt）=[Sa（ωt），Sb（ωt），Sc（ωt）]

α為導(dǎo)通角，各相晶閘管開關(guān)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(diào)制直流輸出電壓Vd：

Vd=Sv（ωt）·Vs

假設(shè)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(fù)1次，在一個(gè)工頻周期內(nèi)各脈動(dòng)6次，星形輸出電壓Vd1、三角形輸出電壓Vd2時(shí)域表達(dá)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(dāng)兩組三相整流橋經(jīng)平衡電抗器并聯(lián)后，輸出電壓Vdc時(shí)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(gè)工頻周期內(nèi)輸出脈動(dòng)次數(shù)可達(dá)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(guān)鍵技術(shù)，決定輸出電能質(zhì)量。由于飛機(jī)負(fù)載常為三相不平衡的阻感性負(fù)載，且航空電源容量大，逆變部分開關(guān)管頻率高、電流大，因此選擇合適的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分重要。

3.1""" 組合式多相逆變電路

對(duì)于115 V模塊，需考慮提高對(duì)不平衡負(fù)載的適應(yīng)能力，對(duì)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(gè)獨(dú)立且隔離的單相逆變器組成，級(jí)聯(lián)變壓器濾波輸出，如圖4所示。28 V直流模塊由4個(gè)單相逆變器組成，級(jí)聯(lián)變壓器整流濾波并聯(lián)輸出，如圖5所示，均采用SVPWM調(diào)制方法。

3.2""" 單相SVPWM原理

SVPWM主要原理是以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子理想磁鏈圓為參考，依據(jù)電機(jī)磁鏈和電壓關(guān)系，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，通過(guò)對(duì)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(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)，形成PWM波，具有直流電壓利用率高、開關(guān)損耗小、輸出諧波小等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

基于三相SVPWM原理與優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展出單相SVPWM。在單相全橋逆變電路中，每個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)以Si表示，Si=1代表上管導(dǎo)通下管關(guān)斷，0則相反。功率開關(guān)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(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量構(gòu)成。

根據(jù)PWM算法的伏秒平衡原則，通過(guò)控制基本電壓空間矢量作用時(shí)間，可得到參考電壓矢量Vr。其中，非零矢量作用的時(shí)間用零矢量填充，非零矢量作用時(shí)間為Tk，零矢量作用時(shí)間為T0，SVPWM調(diào)制周期為Ts，參考電壓矢量Vr表達(dá)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(dú)立的控制電路分別控制115 V交流與28 V直流輸出，具有運(yùn)算能力強(qiáng)、速度快和任務(wù)調(diào)度能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。DSP用于對(duì)電壓、電流等實(shí)時(shí)調(diào)控、高速測(cè)量及參數(shù)計(jì)算，可產(chǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備電流、電壓以及溫度等參數(shù)，具有開機(jī)自檢、故障診斷與豐富的保護(hù)功能，如輸入過(guò)壓、欠壓、相序保護(hù)，逆變器故障保護(hù)，直流母線過(guò)壓保護(hù)，變壓器過(guò)溫保護(hù)，輸出過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)等。電源一旦出現(xiàn)故障，立即進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，并記錄當(dāng)前故障，便于維修查詢。

由于飛機(jī)負(fù)載是不平衡且不固定的動(dòng)態(tài)負(fù)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(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制算法[7]，如圖7所示。其中，PI調(diào)節(jié)器中比例環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)加快系統(tǒng)響應(yīng)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(zhǔn)參考正弦電壓Uref進(jìn)行對(duì)比，差值經(jīng)過(guò)電壓PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算，得到電流基準(zhǔn)值Ig。電流內(nèi)環(huán)部分進(jìn)一步將Ig與負(fù)載反饋電流If對(duì)比，差值經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入SVPWM控制環(huán)節(jié)，調(diào)整功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定控制。

在本控制方法下，當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí)輸出電流隨之變化，電流內(nèi)環(huán)會(huì)抑制電壓變化，從而減小電壓波動(dòng)，節(jié)約電壓調(diào)節(jié)時(shí)間，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。

5""" 結(jié)束語(yǔ)

本文以保障功能齊全豐富、多機(jī)種保障、小型便捷等為出發(fā)點(diǎn)，引入高功率密度的SiC MOSFET功率開關(guān)器件，設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)，可同時(shí)保障飛機(jī)交直流供電任務(wù)，提升保障效率，節(jié)約保障成本。

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收稿日期：2024-09-12

作者簡(jiǎn)介：鄒家祥（1974—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：航空地面保障裝設(shè)備。

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