具有升壓能力的複合ac至dc功率轉換器的製造方法
2023-05-11 22:17:26
具有升壓能力的複合ac至dc功率轉換器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及具有升壓能力的複合AC至DC功率轉換器。升壓AC至DC轉換器可以包括主整流器、第一和第二輔助整流器、以及自耦變壓器。自耦變壓器可以包括多個繞組組裝件，每個具有連接到AC功率源的初級端、連接到主整流器的主次級端、連接到第一輔助整流器的第一輔助次級端、以及連接到第二輔助整流器的第二輔助次級端。每個繞組組裝件的初級端與主整流器之間的阻抗小於每個繞組組裝件的初級端與第一輔助整流器或第二輔助整流器任一之間的阻抗。每個第一繞組組裝件的初級端與第一輔助整流器之間的阻抗不同於每個繞組組裝件的初級端與第二輔助整流器之間的阻抗。
【專利說明】具有升壓能力的複合AC至DC功率轉換器
【技術領域】
[0001] 本發明大體上涉及AC至DC轉換器，並且更特別地涉及具有升壓能力的無源AC至 DC轉換器。
【背景技術】
[0002] AC至DC轉換器在現代航天/軍事產業中扮演著重要角色。特別在用於飛行器和 宇宙飛船的更加電氣化的架構（MEA)的領域中更是如此。功率質量對於MEA飛行器是主要 的關注，這是因為安裝在同一總線上的大量的電功率系統和設備。這些系統和設備的功率 質量具有確保所有的電源/用電設備一起合適地起作用的迫切需要。
[0003] 術語"複合AC至DC轉換器"被創造以區別並行使用兩種或更多轉換方法的轉換 器。針對複合AC至DC轉換器的概念源於向更小尺寸、更輕重量和更高效率的進一步改進。
[0004] 雖然複合AC至DC轉換器呈現向性能改進的一大步，但其未包含高效的升壓能力。 它們通常提供三相115-Vac系統的整流，從而導致270Vdc的典型輸出電壓值。存在其中輸 出電壓為了連續功率調節的更好性能而被期望成高得多的應用。在一些配電系統中使用的 典型值為540Vdc、+/-270Vdc和610Vdc。這意味著將期望用於三相115-Vac系統中的複合 AC至DC轉換器，以產生約為其整流輸出兩倍高的輸出電壓。換而言之，將期望成在複合AC 至DC轉換器中提供升壓能力。
[0005] 將期望成實現此類無源升壓，同時僅將最小諧波失真引入到輸入AC電流。通常， 可以通過採用具有高脈衝配置的AC至DC轉換器來降低更低頻率諧波失真。例如，當利用 24脈衝轉換器來執行三相AC功率的轉換時，輸入功率的諧波失真可以被維持在合理低的 水平處。當然，24脈衝轉換器必須具有比12脈衝或18脈衝轉換器更高數量的變壓器繞組 (winding)。因此，24脈衝轉換器通常比12脈衝或18脈衝轉換器更重、更大和更昂貴。此 類尺寸和重量可以通過考慮表達式W/VA而客觀地評價：其中W是以瓦特的DC功率；並且 VA是變壓器以伏特-安培表達的額定值。對於具有1 : 2升壓能力的典型18脈衝轉換器 而言，W/VA可以為約0. 5。
[0006] 此外，將期望成與基於有源半導體的升壓電路相比，採用自耦變壓器來實現無源 升壓。在航天應用的上下文中，無源系統的固有可靠性與有源系統相比是重要的考慮。
[0007] 在複合AC至DC轉換器的自耦變壓器內，內部的繞組匝數比負責其升壓因數。然 而，當被用於升壓時，典型的自耦變壓器的轉換比（ACR)將開始降低。升壓拓撲中的降低 ACR的主要原因可以視為隨著自耦變壓器繞組伏特*安培（VA)之和上升，自耦變壓器輸出 功率保持恆定。在宇航飛行器中的自耦變壓器中高ACR是期望的，因為此類自耦變壓器可 以被構造有比具有低ACR的自耦變壓器更小的繞組和有更輕重量。
[0008] 如可以看出的，存在針對具有升壓能力的無源複合AC至DC轉換器的需要。更特 別地，存在針對可以利用自耦變壓器無源地產生升壓的此類轉換器的需要，所述自耦變壓 器可以以高ACR以及輸入電壓的最小諧波失真來操作。
【發明內容】
[0009] 在本發明的一個方面中，多相AC至DC轉換器可以包括：主整流器；第一輔助整流 器；第二輔助整流器；以及與主整流器、第一輔助整流器和第二輔助整流器耦合的自耦變 壓器，該自耦變壓器包括：第一繞組組裝件，其包括：與AC功率源耦合的初級端、與主整流 器耦合的主次級端、與第一輔助整流器耦合的第一輔助次級端、以及與第二輔助整流器耦 合的第二輔助次級端，其中初級端與主次級端之間的運算阻抗小於初級端與第一輔助次級 端或第二輔助次級端任一之間的運算阻抗，並且其中初級端與第一輔助次級端之間的運算 阻抗不同於初級端與第二輔助次級端之間的運算阻抗；第二繞組組裝件，其包括：與AC功 率源耦合的初級端、與主整流器耦合的主次級端、與第一輔助整流器耦合的第一輔助次級 端、以及與第二輔助整流器耦合的第二輔助次級端，其中初級端與主次級端之間的運算阻 抗小於初級端與第一輔助次級端或第二輔助次級端任一之間的運算阻抗，並且其中初級端 與第一輔助次級端之間的運算阻抗不同於初級端與第二輔助次級端之間的運算阻抗；以及 第三繞組組裝件，其包括：與AC功率源耦合的初級端、與主整流器耦合的主次級端、與第一 輔助整流器耦合的第一輔助次級端、以及與第二輔助整流器耦合的第二輔助次級端，其中 初級端與主次級端之間的運算阻抗小於第三繞組組裝件的初級端與第一輔助次級端或第 二輔助次級端任一之間的運算阻抗，並且其中初級端與第一輔助次級端之間的運算阻抗不 同於初級端與第二輔助次級端之間的運算阻抗。
[0010] 在本發明的另一方面中，用於在AC至DC轉換器中使用的自耦變壓器可以包括：第 一繞組組裝件，其包括多個繞組段和至少一個抽頭；第二繞組組裝件，其包括多個繞組段和 至少一個抽頭；第三繞組組裝件，其包括多個繞組段和至少一個抽頭；其中第一繞組組裝 件的至少一個繞組段與第二繞組組裝件的至少一個抽頭耦合，其中第二繞組組裝件的至少 一個繞組段與第三繞組組裝件的至少一個抽頭耦合，並且其中第三繞組組裝件的至少一個 繞組段與第一繞組組裝件的至少一個抽頭耦合。
[0011] 本發明的這些和其它特徵、方面和優點將參考以下附圖、說明書和權利要求而變 得更好理解。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1是根據本發明的實施例的AC至DC功率轉換器的示意圖；
[0013] 圖2是根據本發明的實施例的圖1的轉換器的自耦變壓器的向量格式示意圖；
[0014] 圖3是根據本發明的實施例的圖1的轉換器的自耦變壓器的常規示意圖；
[0015] 圖4是根據本發明的第二實施例的AC至DC功率轉換器的示意圖；
[0016] 圖5是根據本發明的第三實施例的AC至DC功率轉換器的示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面的【具體實施方式】具有執行本發明的示例性實施例的當前最佳預期模式。描述 不應在限制意義上採取，而是僅為了說明本發明的一般原理的目的而進行，原因在於本發 明的範圍由所附權利要求而最佳限定。
[0018] 在下面描述了各種發明特徵，每個均可以獨立於彼此或者與其它特徵結合使用。
[0019] 概括地說，本發明的實施例通常提供具有升壓能力的無源複合AC至DC轉換器。更 特別地，此類轉換器可以利用自耦變壓器來無源地產生升壓，所述自耦變壓器以高ACR操 作。此外，在施加到主整流器的功率和施加到輔助整流器的功率之間可以發生相移。此類 轉換器可以僅產生輸入AC電流和電壓的最小低頻諧波失真。
[0020] 現在參考圖1，可以看出示例性AC至DC轉換器100可以包括自耦變壓器120、主 整流器140、以及輔助整流器160和180。在圖1中，轉換器100被示出為在3相電源200 和DC負載220之間互連。主整流器140與輔助整流器160和180可以是常規的6脈衝整 流器。
[0021] 自耦變壓器120可以在初級端202、204和206處連接到電源200。主整流器140可 以在次級端142U44和146處連接到自耦變壓器120。輔助整流器160可以在次級端162、 164和166處連接到自耦變壓器120。輔助整流器180可以在次級端182、184和186處連 接到自耦變壓器120。
[0022] 現在參考圖2和3,示出了自耦變壓器120的示例性實施例中的互連的詳細說明。 自耦變壓器120可以被構造有一般性地指定為X、Y和Z的三個繞組組裝件。繞組組裝件X 可以被纏繞成包括指定為XA、XB、XC、XD、ΧΕ和XF的六個順序的繞組段。繞組組裝件Υ可 以被纏繞包括指定為YA、YB、YC、YD、ΥΕ和YF的六個順序的繞組段。繞組組裝件Ζ可以包 括指定為ZA、ZB、ZC、ZD、ΖΕ和ZF的六個順序的繞組段。
[0023] 特別參考圖3,繞組段ΧΑ可以在指定為XI的點處被連接到端子142。繞組段ΧΑ 和ΧΒ可以在點Χ2和Χ3處被連接在一起。抽頭121可以被置於點Χ2和Χ3之間。繞組段 ΧΒ和XC可以在點Χ4和Χ5處被連接在一起。抽頭122可以被置於點Χ4和Χ5之間。繞組 段XC和XD可以在點Χ6和Χ7處被連接在一起。抽頭123可以被置於點Χ6和Χ7之間。
[0024] 繞組段ΥΑ可以在指定為Υ1的點處被連接到端子144。繞組段ΥΑ和ΥΒ可以在點 Υ2和Υ3處被連接在一起。抽頭124可以被置於點Υ2和Υ3之間。繞組段ΥΒ和YC可以在 點Υ4和Υ5處被連接在一起。抽頭125可以被置於點Υ4和Υ5之間。繞組段YC和YD可以 在點Υ6和Υ7處被連接在一起。抽頭126可以被置於點Υ6和Υ7之間。
[0025] 繞組段ΖΑ可以在指定為Ζ1的點處被連接到端子146。繞組段ΖΑ和ΖΒ可以在點 Ζ2和Ζ3處被連接在一起。抽頭127可以被置於點Ζ2和Ζ3之間。繞組段ZS和ZC可以在 點Ζ4和Ζ5處被連接在一起。抽頭128可以被置於點Ζ4和Ζ5之間。繞組段ZC和ZD可以 在點Ζ6和Ζ7處被連接在一起。抽頭129可以被置於點Ζ6和Ζ7之間。
[0026] 繞組組裝件X可以通過點Χ8和抽頭124之間的互連以及也通過點Χ9和抽頭125 之間的互連與繞組組裝件Υ互連。繞組組裝件Υ可以通過點Υ8和抽頭127之間的互連以 及也通過點Υ9和抽頭128之間的互連與繞組組裝件Ζ互連。繞組組裝件Ζ可以通過點Ζ8 和抽頭121之間的互連以及也通過點Ζ9和抽頭122之間的互連與繞組組裝件X互連。
[0027] 繞組段ΧΕ可以在點Χ10處被連接到次級端186。在該方面中，繞組段ΧΕ可以被 置於次級端186和繞組組裝件Υ之間。類似地，繞組段ΥΕ可以在點Υ10處被連接到次級端 184。在該方面中，繞組段ΥΕ可以被置於次級端186和繞組組裝件Ζ之間。同樣，繞組段ΥΕ 可以在點Υ10處被連接到次級端182。在該方面中，繞組段ΥΕ可以被置於次級端182和繞 組組裝件X之間。
[0028] 繞組段XF可以在點XII處被連接到次級端162,並且在點Χ12處被連接到抽頭 129。在該方面中，繞組段XF可以被置於次級端162和繞組組裝件Ζ之間。類似地，繞組段 YF可以在點Y11處被連接到次級端166,並且在點Y12處被連接到抽頭123。在該方面中， 繞組段YF可以被置於次級端166和繞組組裝件X之間。同樣，繞組段ZF可以在點Z10處 被連接到次級端164,並且在點Z12處被連接到抽頭126。在該方面中，繞組段ZF可以被置 於次級端164和繞組組裝件Y之間。
[0029] 現在特別參考圖2,採用與向量分析視點一致的格式來示出各繞組組裝件X、Y和 Z。在該方面中，可以由繞組段中的一些形成中央等腰三角形130。三角形130的第一邊132 可以包括繞組組裝件X的繞組段XB、XC和XD。三角形130的第二邊134可以包括繞組組 裝件Y的繞組段YB、YC和YD。三角形的第三邊136可以包括繞組組裝件Z的繞組段ZB、ZC 和ZD。
[0030] 繞組段的繞組匝數比可以通過考慮三條三角形邊132U34和136中的每條具有單 位長度而被量化。在此類規範化的上下文中，繞組段可以具有與下表1 一致的繞組匝數比。
[0031] 表 1
[0032]
【權利要求】
1. 多相AC至DC轉換器（100)，包括： 主整流器（140); 第一輔助整流器（160); 第二輔助整流器（180);以及 與主整流器、第一輔助整流器和第二輔助整流器耦合的自耦變壓器（120)， 所述自耦變壓器包括： 第一繞組組裝件（X)，包括： 與AC功率源（200)耦合的初級端（202)， 與主整流器（140)耦合的主次級端（142)， 與第一輔助整流器（160)耦合的第一輔助次級端（162)，以及 與第二輔助整流器（180)耦合的第二輔助次級端（186)， 其中初級端與主次級端之間的運算阻抗小於初級端與第一輔助次級端或第二輔助次 級端任一之間的運算阻抗，並且 其中初級端與第一輔助次級端之間的運算阻抗不同於初級端與第二輔助次級端之間 的運算阻抗； 第二繞組組裝件（Y)，包括： 與所述AC功率源耦合的初級端（204)， 與所述主整流器耦合的主次級端（144)， 與所述第一輔助整流器耦合的第一輔助次級端（166)，以及 與所述第二輔助整流器耦合的第二輔助次級端（184)， 其中初級端與主次級端之間的運算阻抗小於初級端與第一輔助次級端或第二輔助次 級端任一之間的運算阻抗，並且 其中初級端與第一輔助次級端之間的運算阻抗不同於初級端與第二輔助次級端之間 的運算阻抗；以及 第三繞組組裝件（Z)，包括： 與所述AC功率源耦合的初級端（206)， 與所述主整流器耦合的主次級端（146)， 與所述第一輔助整流器耦合的第一輔助次級端（164)，以及 與所述第二輔助整流器耦合的第二輔助次級端（182)， 其中初級端與主次級端之間的運算阻抗小於所述第三繞組組裝件的初級端與第一輔 助次級端或第二輔助次級端任一之間的運算阻抗，並且 其中初級端與第一輔助次級端之間的運算阻抗不同於初級端與第二輔助次級端之間 的運算阻抗。
2. 如權利要求1所述的轉換器，其中所述繞組組裝件（X、Y、Z)的一個或多個包括六 個順序纏繞的繞組段（XA、XB、XC、XD、XE、XF、YA、YB、YC、YD、YE、YE、YF、ZA、ZB、ZC、ZD、ZE、 ZF)。
3. 如權利要求2所述的轉換器，其中所述繞組組裝件（X、Y、Z)的一個或多個被提供有 來自另一個繞組組裝件的繞組段耦合到其上的至少一個抽頭（121、122、123、124、125、126、 127、128、129)。
4. 如權利要求2所述的轉換器，其中所述繞組組裝件的每一個被提供有來自其他繞組 組裝件的繞組段耦合到其上的至少兩個抽頭（121、122、123、124、125、126、127、128、129)。
5. 如權利要求2所述的轉換器，其中第一繞組組裝件⑴的繞組段之一（XE)被置於輔 助整流器之一（180)與第二繞組組裝件（Y)之間。
6. 如權利要求5所述的轉換器，其中 第二繞組組裝件（Y)的繞組段之一（YF)被置於輔助整流器之一（160)與第一繞組組 裝件⑴之間，並且 第三繞組組裝件（Z)的繞組段之一（ZF)被置於輔助整流器之一（160)與第二繞組組 裝件⑴之間。
7. 如權利要求1所述的轉換器，其中繞組組裝件（X、Y、Z)的每個被提供有位於其末端 的次級端（142、144、146)。
【文檔編號】H02M7/04GK104283440SQ201410399646
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2013年7月10日
【發明者】E·賈內夫, W·沃爾, 陳可民 申請人:霍尼韋爾國際公司