电力电子技术在多电及混合动力推进飞机上的应用进展

王 鹤,陈永禄

(中国飞行试验研究院,西安 710089)

0 引言

多电飞机技术是航空科技发展的全新技术。多电飞机(More electric aircraft, MEA)用电能代替传统二次能源,可简化飞机能源系统结构,且可优化飞机性能、降低运行和维护成本、提高签派可靠性、最大限度地减少气体排放。

MEA用电能代替液压能,移除液压系统有助于提高飞机可靠性,降低复杂性,减少冗余,减轻重量,降低安装和维护成本[1]。MEA通过发动机起动发电机对航空发动机进行电起动,可降低发动机起动功率。MEA采用电动泵代替发动机引气系统可降低复杂性和安装成本[2]。此外,MEA采用涡轮电力或混合电力推进可以提高飞机的能量转换效率。

作为商业运营中电气化程度最高的多电飞机,波音787“梦幻客机”通过六台发电机产生的最大总发电功率可达1.45 MW[3]。图1(a)所示为波音787“梦幻客机”的电气系统简化框图。由图1(a)可知,电力电子技术在多电飞机的全电气化发展中发挥了关键作用。图1(b)所示为飞机混合电力推进系统的简化框图,由图1(b)可知,DC-AC功率变换器在飞机混合电力推进系统中起关键作用。该系统是将发电机和电动机进行电气互连,并调节它们之间的功率,实现高效率高功率密度的混合电力推进。

图1 (a) 多电飞机中主要电气系统简化框图;(b)飞机混合电力推进系统的简化框图

1 功率半导体器件和固态保护

1.1 碳化硅器件

与同功率的传统硅基功率器件相比,碳化硅器件具有更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的击穿电压和更高的熔点[4]。金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)是电压控制元件,鉴于硅基器件在高压高频变换中会产生相当大的损耗,碳化硅MOSFET将成为高效高功率密度功率变换器的最佳选择。

实际上,采用快速开关碳化硅MOSFET的电力电子系统也有一些不足之处,主要体现在:(1)碳化硅功率器件的高频谐波比硅绝缘栅双极晶体管(Insulate-gate bipolar transistor, IGBT)的高40～50 dB(100～300倍),如图2所示,电力电子系统级电磁干扰滤波器和布局方法需要仔细设计;(2)与同功率的硅基器件相比,因为碳化硅MOSFET具有较慢的饱和带输出特性,所以其耐短路能力较弱[5];(3)碳化硅MOSFET电压上升时间短,将在负载侧产生更高的浪涌电压。

图2 硅和碳化硅器件之间的谐波比较

尽管如此,碳化硅开关器件的可靠性非常高。当阻断电压接近器件额定电压时,碳化硅MOSFET的故障率远低于硅基IGBT[6]。

1.2 氮化镓器件

与碳化硅器件类似,氮化镓器件也具有开关损耗低、开关速度快和熔点高等优点,但其抗电压击穿能力较低[4]。因此,氮化镓器件目前在低功率高频应用等方面的应用具有优势,例如可用于功率小于10 kW的开关电源。

1.3 固态断路器

固态断路器(Solid state circuit breaker, SSCB)具有许多优点,如更高的效率和功率密度以及更高的可靠性[7]。SSCB的电路示意图如图3所示,图中Vbus表示270 V直流母线,电感Lseries指系统内母线和接线电感的总合。实验结果表明,母线电压为270 V时,对于250 A短路故障的断开动作可控制在10 μs之内,对于450 A的短路故障断开动作可控制在70 μs之内。

图3 270 V DC的SSCB电路示意图

2 多电飞机中的电力电子变换器

2.1 直流-直流变换器

直流-直流变换器(DC-DC变换器)用于270 V高压和28 V低压之间的变换,也可用于28 V和电池之间的双向功率变换。图4所示为一种隔离型双有源桥(Dual active bridge, DAB)DC-DC变换器。由于图4中存在高频变压器,该变换器电压调节范围非常宽。此外,实验结果表明,由于采用了碳化硅MSOFET,该DAB变换器可在温度高达300 ℃的高温环境下工作。

图4 双有源桥式DC-DC变换器(270 V/28 V)

图5所示为文献[8]中报道的一种三端口DC-DC变换器,该变换器用于和太阳能光伏、电池和太阳能电池的直流负载电源系统连接。实验结果表明,图5所示的三端口变换器具有较高的效率和功率密度。

图5 移相控制的三端口DC-DC变换器

文献[9]报道了一种基于增强型氮化镓器件的双输出三电平DC-DC变换器,该变换器可用作机载电池充电器,其电路拓扑如图6所示。

图6 电容钳位双输出3电平DC-DC变换器拓扑

2.2 直流-交流逆变器

在文献[10]中设计了一种新型具有零电流开关(Zero current switching, ZCS)的模块化无槽逆变器,用于多电飞机的大功率直流-交流变换。这种新型逆变器的电路拓扑如图7所示。由图7可知,ZCS状态是通过在逆变器级以比分区级更宽的占空比切换开关器件获得的。

图7 MEA模块化无槽ZCS逆变器拓扑

在文献[11]中,基于氮化镓器件利用飞跨电容多电平变换器(Flying capacitor multi-lever inverter, FCML)研制了一种双交错9级逆变器,其电路拓扑如图8所示。根据文献[11]的实验测试结果,这种新型变换器的峰值效率为98.6%,重量功率密度为17.3 kW/kg,体积功率密度为35.3 kW/L。

在文献[12]针对飞机混合电力推进系统,研制了一种直流母线电压为2.4 kV的兆瓦级三相三电平两级解耦有源中性点箝位(Three-level two-stage decoupled active neutral point clamped, TD-ANPC)逆变器,该逆变器的电路拓扑和配置如图9所示。此外,实验测试结果表明,图9所示逆变器的峰值效率为99.4%,功率密度为12.0 kW/kg。

图9 三电平TD-ANPC逆变器的单相支路

2.3 交流-直流整流器

图10所示电路拓扑为一种新的用于多电飞机的三电平三开关整流器,称为Vienna整流器。文献[13]对输出功率水平为10 kW的三相升压整流器、三相降压整流器和三相Vienna整流器从重量、体积和航空电子应用效率等方面进行比较分析,结果表明,在不考虑可靠性的情况下Vienna整流器具有最高的功率密度。

图10 三相三电平Vienna整流器

2.4 交流-交流变流器

在文献[14]中,开发了一种矩阵变换器,如图11所示,用于作为地面电源装置(GPU)为飞机电气系统供电,并可启动飞机发动机。文献[15]提出了一种单输入双输出间接矩阵变换器(Indirect matrix converter, IMC)。将简单的双管正激变换器(Two transistors forward converter, TTFC)添加到IMC的直流环路以获得直流输出电压,如图12所示。实验测试结果表明,该电路具有结构紧凑、交直流输出独立稳定、整流级零电流开关等优点。

图11 带有滤波器的矩阵变换器GPU拓扑

图12 单输入双输出间接矩阵变换器拓扑

3 功率变换器开发实例

3.1 功率变换器硬件开发

3.1.1 直流侧EMI滤波器

较高的开关频率和尖锐的开关边缘都会使SiC MOSFET的高频谐波含量比Si IGBT的高频谐波含量差约40～50 dB(100～300倍),这意味着在使用SiC器件时,系统级EMI滤波器和布局方法需要进行仔细分析。开发的EMI滤波器的额定值分别为1.0 kA和±1.5 kV,其基本电路示意图如图13所示。

图13 直流EMI滤波器的基本电路拓扑

3.1.2 dv/dt输出滤波器

RLCdv/dt滤波器的电路拓扑如图14所示。从图14可知,RLCdv/dt滤波器由三相差模单匝电感、阻尼电阻和薄膜电容器组成,薄膜电容器采用Y形连接,其中性点连接到直流母线中点,以减轻共模dv/dt。

图14 dv/dt滤波器的基本电路拓扑

3.2 ANPC变换器的新型PWM控制策略

SiC功率变换器实现的一个主要问题是大型换相回路中显著的杂散电感,将在变换器切换期间在功率器件中引起显著的关断电压尖峰和开关损耗。图15(a)～(e)所示为逆变器的一个支路从正(P)状态到负(N)状态的开关状态,图中所有标记为红色的功率器件均为接通状态(图中加圈的功率器件)。当逆变器从N状态切换到P状态的开关状态与图15中所示的过程反向对称(即开关状态路径为N→NZ→CZ→PZ→P)。在这两种状态切换情况下,由图15可知,电流仅在同一模块中的两个SiC器件之间交换,这样的开关损耗最小。

图15 ANPC逆变器支路从P状态切换到N状态的开关状态(红色表示器件处于接通状态)

3.3 实验结果

为了验证功率转换器硬件设计功能和所提出的PWM策略,在实验室进行了三相泵回测试。图16所示为三相泵回操作的电路原理图,图中两个三相3L-ANPC变换器单元以背靠背方式连接,交流侧通过三个单相电感和一个CM电感耦合。一个变换器单元作为逆变器运行,另一个作为整流器运行,直流输出反馈至直流电源。

图16 三相泵回测试电路示意图

直流侧有两个级联EMI滤波器,3L-ANPC逆变器系统传导EMI测量结果如图17所示。初步实验结果表明,总传导EMI(包括共模和差模EMI)低于EMC标准DO-160L限制线(即40 dB·μA)。图18所示为dv/dt滤波器前后线电压中dv/dt测量值对比图。由图18可以看出,RLC滤波器后的dv/dt减小到2～4 kV/μs之间,满足小于5 kV/μs的要求。

图17 设计的EMI滤波器的传导EMI测量结果

图18 RLC滤波器前后dv/dt测量结果

在直流母线电压为±1.2 kV、开关频率为20.0 kHz、基波电流频率为1.4 kHz、电流有效值为430 A的条件下,通过三相泵回试验测试3L-ANPC逆变器的全功率。图19(a)和(b)分别显示了直流母线电压为±1.2 kV时,输出频率分别为1.0 kHz和1.4 kHz时测得的输出电压和电流值。测得的三相3L-ANPC逆变器总损耗为9.6 kW,在额定功率因数为0.83时,逆变器的效率为99%。

图19 3L-ANPC逆变器在±1.2 kV线电压和负载电流:(a)输出频率为1.0 kHz;(b)输出频率为1.4 kHz

4 结语

电力电子技术的最新进展极大地促进了多电飞机及混合动力系统的发展。本文对电力电子技术在多电飞机中的应用进行了综述,涵盖了功率半导体器件的最新发展,以及各种新型功率变换拓扑的发展。功率变换器的发展需要综合考虑可靠性、高效率和高功率密度,有时由于这些因素之间的潜在冲突,必须做出妥协。例如,功率变换器的冗余设计提高了容错能力,但降低了变换器效率和功率密度。本文介绍的用于多电飞机及混合电力推进系统的兆瓦级中压3L-ANPC功率变换器,以其独特的硬件电路拓扑设计和新颖的控制策略,在地面实验验证中,在额定工作条件下实现了99%的高效率和12 kVA/kg的高功率密度,后续还必须考虑各种不同的运行工况,并且需要在多电飞机及混合电力推进系统实际的飞行实验场景下对关键技术(如直流断路器的性能)进行实验验证。