專利名稱：功率整流器電路和系統(tǒng)、相關(guān)方法、包括此類電路或系統(tǒng)的飛行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率整流器設(shè)備和方法、相關(guān)系統(tǒng)和包括此類設(shè)備和/或系統(tǒng)的飛行
O
背景技術(shù)：
在通過功率電子電路轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)電能的領(lǐng)域中，許多應(yīng)用需要交/直流(AC/DC) 整流器類型的功能，其中AC側(cè)執(zhí)行電網(wǎng)電壓相電流的正弦采樣，以便使功率因數(shù)優(yōu)化為更 接近1，并且獲得最佳能量效率和/或符合輸電網(wǎng)的質(zhì)量標準。DC側(cè)構(gòu)成這些電路的輸出。 這樣的交流電網(wǎng)的AC側(cè)供電可以例如是安裝在飛行器中用于給機載網(wǎng)絡(luò)供電的發(fā)電系 統(tǒng)，如在申請FR-2 881 896和FR-2 897 731中所述。當然，DC級自己可以給DC/DC或DC/ AC轉(zhuǎn)換器供電，例如一個電機換流器或一個備用電源。功率電子技術(shù)的發(fā)展比與脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)相關(guān)的有源限幅整流器AC/DC轉(zhuǎn)換 器的性能表現(xiàn)先進。這些電路基本上基于功率半導(dǎo)體元件，其脈沖調(diào)制允許調(diào)節(jié)交流電網(wǎng) 上采集的功率通量。這些電路同樣允許調(diào)節(jié)DC直流輸出電壓，尤其是為了給其它DC/DC或 DC/AC變換器供電。當前已知的解決方案為兩級電壓調(diào)制，因此其具有需要AC側(cè)高值電感和重量體 積大的缺陷。已知解決方案使用被稱為“標準化”的對稱轉(zhuǎn)換單元，以電壓逆變器的形 式，其配備由PWM發(fā)電機控制的兩組二極管-晶體管(雙二極管-晶體管(dual transistor-diode))。例如已經(jīng)知道了在一個直流電壓電源E上串聯(lián)的雙二極管-晶體管。這些電路具有多功能和模塊化優(yōu)勢，然而盡管如此由于增多的晶體管以及施加在 晶體管上的電子命令的數(shù)量，還是迅速地變得復(fù)雜。此外，這些系統(tǒng)顯現(xiàn)出比無源二極管 整流器更低的可靠性，并且由于具有兩倍多的元件且它們由于高頻切換平均產(chǎn)生額外的損 失，以及工業(yè)中巨大的元件電壓標定(calibre)，典型的1200V，而具有高出許多的功率損 失。此外，這些系統(tǒng)基于兩級的電壓限幅(換而言之提供兩級AC側(cè)直流電壓_E/2V 和E/2V)，這意味著在整流器輸入端使用隨伏特-秒而變化的高數(shù)值A(chǔ)C電流平滑電感(與 乘以限幅周期Tdec的電壓E成比例，其中E表示DC電壓且Tdec (或Fdec)表示限幅周期 (分別是限幅頻率))。由此產(chǎn)生較大的重量和體積。在這些傳統(tǒng)電路中，轉(zhuǎn)換(commutation)單元由兩個串聯(lián)晶體管組成。它們之間 任一個的低阻抗故障(或短路)表現(xiàn)為直流總線的短接，其中大量能量可能被儲存，尤其是 幾百焦耳。若未能快速保護晶體管，這些能量可足夠?qū)е聶C盒爆炸。即便存在這樣的保護，此類故障可擴展到供電網(wǎng)及電路的其他相鄰單元，這意 味著向電路添加額外的絕緣和冗余裝置，以保證有故障電路那部分的安全并追求在備用 (secours)模式下的能量管理。
最終電路則快速具有更為復(fù)雜、更為昂貴的安裝配置，并且很可能相對于簡單的 二極管無源整流器而言具有不可靠的風險。因此需要具有可容許故障、既在施加在電感上的伏特-秒方面可靠高效、又使用 弱標定電壓的開關(guān)的整流器電路。為了提供單向功率直流總線，在功率可逆性缺乏、禁止或不可能的特定情況下，例 如在初始供電網(wǎng)是交流類型的，以上的一部分缺陷將不再存在。裝配在飛行器上的網(wǎng)絡(luò)通 常具有這些特征，其中一個交流發(fā)電機向整個飛行器供應(yīng)電能。在缺乏可逆性的情況下，獲得限幅電路的簡化情況，轉(zhuǎn)換單元可以不再電流可逆， 而僅包括唯一一個晶體管和一個二極管，從而包括的晶體管和晶體管控制裝置的數(shù)量減 少。由此成本降低，電路控制故障的風險減少，且功率損失減弱。這些電路因此適于要求大 功率范圍和工業(yè)電壓，例如從300V到1200V，典型的是800V的應(yīng)用/儀器。由此獲得的電路通常被稱為PFC (Power Factor Correction或功率因數(shù)校正)電 路或正弦采樣的“升壓”整流器(升壓變壓器)。在三相供電的情況下，這些升壓整流器基本上使用與單或雙升壓電路相關(guān)聯(lián)的具 有六個二極管的橋或具有三個帶2或4個二極管的整流器分支的橋(用于電源的所有三 相)。圖1中表示了一個帶2個二極管整流器的雙升壓電路，并且它具有三級AC側(cè)電壓， 這允許將測定電感的伏秒除以2。這一電路被特別記錄在巴博薩的論文中(“Three-Phase Power Factor Correction Circuits for Low-Cost Distributed Power Systems (低成本 配電系統(tǒng)的3相功率因數(shù)校正電路”，Peter Mantovanelli Barbosa-2002年7月31日，弗 吉尼亞，布萊克斯堡，弗吉尼亞理工大學(xué)研究院取得的論文報告)?？捎^察到兩個電流單向升壓單元10和11，每個通過整流二極管13和14以及一個 阻抗15連接到交流電源12上。每個升壓單元由二極管100或110、開關(guān)102或112和(定 義DC直流電壓總線的)電容器104或114組成。隨后，相區(qū)別地稱為“升壓單元元件”和 “升壓元件”，例如升壓二極管。這一電路以與對晶體管_開關(guān)的控制命令的重復(fù)頻率相對應(yīng)的限幅頻率Fdec運 行。這些解決方案簡化了限幅電路，伴隨有輸入阻抗15的減少，尤其是得益于允許使 用減少一半的阻抗的第三級的出現(xiàn)(這里，在AC側(cè)獲得電壓級-E/2，0和E/2)。同樣獲得全部元件(升壓二極管和晶體管)的減少一半的電壓以及對這些減少如 此多的元件具有從1200V到600V的容許范圍的標定。圖1的電路已經(jīng)是邁向更為確定的性能保障的第一步。事實上，兩個晶體管中任 一個上的任何故障自動被升壓二極管隔離。在這樣一種情況下DC總線的短接因此被避免。然而，該故障被匯報給AC相并且將著手進行絕緣操作，例如通過保險絲或閘流晶 體管。可注意到，盡管如此，兩個升壓單元中的一個的絕緣使得該電路僅在AC側(cè)輸入波 的僅半周期期間運行。針對這一限制的一種解決方案是已知的，尤其是通過專利申請FR 2 809 548，它 通過描述一個多級升壓整流器電路引入一種拓撲冗余，其中的一個特例是5級。在圖2a和 2b中表示了描繪該已知整流器電路的拓撲結(jié)構(gòu)的兩個等效示意圖。
這一電路包括4個升壓單元20至23。單元20和21構(gòu)成的第一級再現(xiàn)圖1的電 路拓撲結(jié)構(gòu)(缺少整流二極管13和14)。相同的第二極(單元22和23)已在第一級后被 添加，從AC側(cè)總輸出中創(chuàng)造出5級輸出電壓-E/2 ；-Ε/4 ；0 ；Ε/4 ；Ε/2。可觀察到同一級的級聯(lián)允許減少一半標定并僅使用600V標準電壓。第二級的存在允許使限幅頻率翻倍到2Fdec。若AC網(wǎng)處于高頻且施加到電感上的 伏秒的減少造成無源元件尤其是輸入電感15的體積的減少，通過允許有用通頻帶的增加， 直至幾百千赫茲的頻率因此是有可能的。無源元件的這一減少尤其允許將減弱的電壓施加 到各元件中以便得到同樣的供電電壓并且由此縮小元件尺寸(經(jīng)濟獲利)，或在同樣標定 下接受更高的電源電壓。增大了的限幅頻率同樣允許減少那些升壓單元中的電容值，所得到的結(jié)果是更小 量的能源被存儲在電路中。因此，當一個升壓二極管被破壞而單元晶體管造成電容短路時， 爆炸的風險可被迅速排除。
此外，當一個晶體管損壞，電路由于升壓二極管的存在而受到保護，而能量通過循 環(huán)向AC電源擴散。因此增加了這一系統(tǒng)的安全性。這一解決方案同樣具有對故障高包容度的優(yōu)勢。事實上，在晶體管開關(guān)，例如單元 20的開關(guān)故障的情況下，另一級，這里是單元22，這次以限幅頻率Fdec繼續(xù)限幅(因為盡 管有故障單元它在供電電流有效的交流半周時保持限幅)。在開關(guān)故障的情況下，我們因 此，以50%的靜態(tài)過壓(換而言之在二級管端子上)和100%的動態(tài)過壓(換而言之在開 關(guān)/晶體管端子上)的代價，損失一級輸出電壓，且針對受此故障影響的上部和下部切換到 單一的限幅頻率?？捎^察到，在此解決方案下，升壓單元20至23中的二級管應(yīng)被定為單元的 所有不同電壓，由此電壓標定(calibre)等于Ε/2 (第一級是E/4+E/4而第二級是 Ε/2+Ε/2-Ε/4-Ε/4)。因此，對于工業(yè)中所用的一個輸出電壓E = 800V，適于使用標定為至少 400V的二極管，通常是包含余量的600V。然而這一解決方案具有的缺陷是在開關(guān)故障的情況下，升壓單元二極管被施加一 個3Ε/4的靜態(tài)電壓(+50%)，上述例子中為600V，以及一個Ε/2的動態(tài)電壓(+100%)，即 400V。因此，在存在一個標定為包含安全余量的600V 二極管的情況下，電路不容許故障。因 此，要獲得對故障的包容度，各元件至少600V (換而言之沒有余量)的測定值則是必不可少 的，尤其是一個包含余量的最小值為800V，即超過所用輸出電壓Ε/2的二級管的測定尺寸。為了避免限制在600V的運行，一個800V甚至1200V的電壓標定因此是必需的，但 有損轉(zhuǎn)換速度、掉電及二極管功率損失的性能表現(xiàn)。此外，這個結(jié)構(gòu)的另一缺陷在于轉(zhuǎn)換單元包括一個二極管和兩對晶體管/ 二極 管，而后者中的其中之一是靜態(tài)的。這造成比前面電路中更高的寄生電感。關(guān)于這些缺陷，人們致力于獲得一種功率整流器電路，它自身，換而言之沒有添加 額外的電路，容許開關(guān)及二級管的故障，并且它要求對于相同的輸出電壓標定二級管和開 關(guān)(晶體管)減少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尤其旨在通過提供一種容許故障的多級電壓整流器電路來解決這些的缺陷，包括升壓單元，尤其是每個單元包括單一晶體管和單一二極管。尤其是，盡管在一個升壓單元內(nèi)部存在故障另一個升壓單元保證了限幅操作，這 保證了對開關(guān)或二級管故障的耐受性。此外，根據(jù)本發(fā)明的電路允許使二極管在E/4電壓(換而言之對于800V電壓源是 200V)下運行并由此，在有故障的情況下，獲得E/2的標定(換而言之400V)，即輸出電壓。 因此，標定600V的各元件因此有可能具有一個合理的運行余量。為此，本發(fā)明尤其旨在一種交流電源供給的電流信號(或電波)的功率整流器電 路，其包括-兩個相區(qū)別的轉(zhuǎn)換組，被布置為用于連接到電源端子上，至少一個轉(zhuǎn)換組包括多 個級聯(lián)的轉(zhuǎn)換單元，稱為升壓單元，-每個升壓單元包括連接在單元的第一輸入端子和第一輸出端子之間的二極管、 連接在單元的第二輸入端子和第二輸出端子之間的開關(guān)裝置和連接在單元的兩個輸出端 子之間的電容，-轉(zhuǎn)換組的升壓單元被級聯(lián)布置為使得一個升壓單元的第一輸出端子和第二輸出 端子分別被連接到下一個升壓單元的第一輸入端子和第二輸入端子上，_轉(zhuǎn)換組的兩個(級聯(lián))終端升壓單元的電容，稱為終端電容，具有一共用端子。當然，共同端子是每個轉(zhuǎn)換組的第二輸出。上面所用的單元輸入/輸出的概念與電路的電流流經(jīng)方向無關(guān)，尤其是因為其中 一個轉(zhuǎn)換組的電流流向與另一組的相反，而由此它們具有基本上對稱的結(jié)構(gòu)?！跋鄥^(qū)別的”表示，對于每個轉(zhuǎn)換組，與上部(第一個轉(zhuǎn)換組)和下部(第二組) 相對應(yīng)的升壓單元(換而言之在圖2a和2b上同一級上)不共享元件這一事實。這使 得缺乏轉(zhuǎn)換組之間的元件的電壓應(yīng)力(英文為stress)比，以及由此得到的更好包容性 (confinement)0轉(zhuǎn)換組的這個區(qū)別同樣可以相對于圖2b的連接減少電路的熱連接。事實上，在圖 2b的連接中，其中一個是靜態(tài)的兩對晶體管/ 二極管需要以位置接近的方式被定位以便產(chǎn) 生最小的寄生電感。這一需求的反操作是這兩對的大量熱連接，它得益于本發(fā)明而消失。同樣地，與現(xiàn)有技術(shù)的電路相反，本發(fā)明允許以E/4電壓，即上例中的200V工作的 升壓單元內(nèi)使用開關(guān)晶體管和二級管以實現(xiàn)一個2X2單元的接線圖。在有故障的情況下， 升壓單元的二級管被施加E/2的電壓，即輸出電壓。因此，相對于已知解決方案，以系數(shù)2 來降低標定，可得到更快的元件和表現(xiàn)出更少的能量損失。限幅頻率和AC側(cè)的電壓數(shù)量是倍增的，尤其是根據(jù)交錯排列的單元數(shù)量，換而言 之級或組的數(shù)量。相對于現(xiàn)有技術(shù)，因此能夠有效地減少施加在輸入電感的伏秒(以及其 規(guī)格尺寸)以及被轉(zhuǎn)換的硅伏安VA，其中轉(zhuǎn)換硅伏安VA被定義成端電壓和在電路單元的每 一個開關(guān)晶體管中流動的電流間的乘積和。尤其是，本發(fā)明，在其2 X 2單元的配置下允許用2至8的系數(shù)來除輸入電感值，用 系數(shù)2除轉(zhuǎn)換硅伏安VA并且最終用同樣數(shù)量的晶體管，換而言之同樣的復(fù)雜程度相對于現(xiàn) 有技術(shù)的解決方案減少約30%的損失。因此，規(guī)定每個轉(zhuǎn)換組可包含2個升壓單元。這一配置在一個弱輸入電感和一定 合理數(shù)量的晶體管之間提供一個良好的折中，它因此限制存儲的總能量(與存在N個升壓
7單元相比，若N >> 2則2N個電容)。另一種情況下，有可能的是一個轉(zhuǎn)換組包含2個以上的升壓單元。在此明確說明 過大數(shù)量的晶體管有可能增加存儲在電路中的平均能量數(shù)量。我們因此規(guī)定每個轉(zhuǎn)換組有 最多5個升壓單元，典型的是，2至3個。
同樣被考慮到的是在兩個轉(zhuǎn)換組之間具有不同數(shù)量的單元。注意到這一配置對應(yīng) 于其中某些數(shù)量單元是故障的且表現(xiàn)出最少的單元數(shù)的一些運行狀況。特別是，最低限度 配置規(guī)定了一組配備僅一個升壓單元的轉(zhuǎn)換組和另一組配備兩個升壓單元的轉(zhuǎn)換組。這一 電路因此包容同一個轉(zhuǎn)換組的兩個升壓單元中其中一個故障并在這2個相同單元中具有 減少的標定二級管(換而言之僅有600V的標定)。然而，更建議在每個轉(zhuǎn)換組中裝有相同數(shù)量的升壓單元以得到平衡的性能表現(xiàn)。為了加強故障電路，可以規(guī)定使用冗余組或單元。當然，可以在其中一個或每一個 整流系統(tǒng)中加入一個冗余單元，在其他單元運行期間，這個冗余升壓單元是消極的，換而言 之處于休眠狀態(tài)(受控晶體管開關(guān)永久在導(dǎo)通狀態(tài))。在檢測到一個單元故障時，我們用這 個冗余單元來代替故障單元。根據(jù)整個轉(zhuǎn)換組中該故障單元的位置，將開關(guān)控制信號與每 一個運行單元在轉(zhuǎn)換組內(nèi)部的位置進行同步是適合的。該冗余同樣可基于一個轉(zhuǎn)換組，在過于大量升壓單元故障使得限幅操作不能繼續(xù) 的情況下用來替換兩組初始轉(zhuǎn)換組中的一組。能夠通過使用例如一個開關(guān)來從一個轉(zhuǎn)換組 切換到冗余組。規(guī)定該電路包含整流器裝置。在一種實施方式下，整流器裝置包含一對整流器裝置，被配置用于連接在所述電 源端子和分別每個所述轉(zhuǎn)換組之間，以便對輸入低頻電流進行整流。在另一種變化情況下，可被考慮的是整流器裝置在每一個升壓單元中包含整流二 級管，這些整流二級管與所述開關(guān)裝置串聯(lián)并且導(dǎo)通方向與相應(yīng)升壓二級管(換而言之同 一單元的)的方向相反。再次回到上述第一種變化情況，由于升壓單元是單向電流的(轉(zhuǎn)換組同樣是單向 的，同時使升壓單元在同一導(dǎo)通方向串聯(lián))，這一配置允許保護在交流電半周期(半周期期 間另一個轉(zhuǎn)換組被需求)期間所提供的每反向電流的轉(zhuǎn)換組。為此目的，規(guī)定該系統(tǒng)被配 置用于在一個轉(zhuǎn)換組被激活時強制另一個轉(zhuǎn)換組的轉(zhuǎn)換裝置(晶體管)處于導(dǎo)狀態(tài)。特別的是，每個整流器裝置包含一個二級管，尤其是以與其連接的該轉(zhuǎn)換組的二 極管同一導(dǎo)通方向地串聯(lián)。另一種情況是，每一個整流器裝置包含一個可控硅整流器，尤其是以與其連接的 該轉(zhuǎn)換組的二極管同一導(dǎo)通方向地串聯(lián)。得益于可控硅整流器的使用，有可能的是在一組轉(zhuǎn)換組的全部單元中出現(xiàn)故障的 情況下將這一轉(zhuǎn)換組隔離起來。此外，該可控硅整流器具有在升壓電容預(yù)充電階段(在2X2單元的配置里在E/2 或E/4)提供電流控制的意義，尤其是在包含該電路的該系統(tǒng)啟動時。尤其考慮到，這些整流器裝置以與它們分別連接的轉(zhuǎn)換組的二極管同一導(dǎo)通方向 地串聯(lián)。在一種實施方式下，開關(guān)裝置包含受控晶體管。
在一種實施方式下，電路包含能夠，在其中一個升壓單元中檢測出一個低阻抗故障的情況下，阻斷所述設(shè)備的全部開關(guān)裝置的阻斷裝置。特別地，檢測可在浮動電容(在每個升壓單元的輸出)上或在開關(guān)裝置上被執(zhí)行。這些故障的檢測涉及與上面所示的本發(fā)明元件無關(guān)的一個通常問題。為此目的以 及出于描述中上文所述的原因，可能要面對的是用明確的方法保護其中沒有兩個受控開關(guān) 的轉(zhuǎn)換單元故障的檢測方案。因此，該電路可包含升壓單元中用于在緊隨一個用于檢測單元升壓二級管故障的 開關(guān)裝置觸發(fā)命令或緊隨一個用于檢測所述開關(guān)裝置故障的開關(guān)裝置阻斷命令的預(yù)定時 長期間，檢測單元的開關(guān)裝置端子上的電壓的低阻抗故障檢測裝置。特別地，所述的低阻抗故障檢測裝置包含一個耦合到電壓檢測器的晶體管命令。根據(jù)本發(fā)明的一個特別特征，規(guī)定該電路包含一個配置用于連接到電源的電源端 子。本發(fā)明同樣旨在一種由多相交流電源提供的電流的功率整流器系統(tǒng)，其包含多個 如上所述的功率整流器電路，被安裝為每一個被連接到分別連接到多相電流每一個相的電 源端子，并且其中這些電路共用同一終端電容。我們因此實現(xiàn)一個能夠?qū)Χ嘞?，通常是二相或三相，電流進行整流的系統(tǒng)。本發(fā)明同樣旨在一種由一個交流電源提供的電流的功率整流器系統(tǒng)，其包含兩個 如上所述的相應(yīng)能量整流器電路，被安裝為分別連接到電源的每一個端子，而且其中這些 電路共享同樣的終端電容。我們因此實現(xiàn)一個基于電源端子差動電壓的系統(tǒng)。特別地，能夠提供其中一個整流電路的一個單元和另一電路的相應(yīng)單元(換而言 之在每一個整流器電路中具有相同的相對位置)共享同一電容。在一種實施方式下，將大量電路元件互相連接，除了設(shè)置在每一個轉(zhuǎn)換組和電源 兩個端子之間的整流裝置之外，所述兩個電路是相互混合的，被連接到同一轉(zhuǎn)換組的所述 整流裝置是互斥的，電流流通方向相反。因此減少差動電路的元件數(shù)量以及相關(guān)聯(lián)的損耗。當然，若幾個相在電源處可用，將此系統(tǒng)與上述系統(tǒng)組合在一起以便得到多相交 流電源。特別地，在三相電源的情況下，差動電壓的配置要求如上所述共享相同的全部2個 終端電容的6個整流電路(2個電路用于3相中的每一相的差動電壓)。本發(fā)明同樣旨在一種由交流電源提供的電流信號的功率整流方法，該方法由整流 電路實現(xiàn)，該整流電路包括-兩個相區(qū)別的轉(zhuǎn)換組，被布置為用于連接到電源的供電端子上，至少一個轉(zhuǎn)換組 包括多個串聯(lián)的轉(zhuǎn)換單元，稱為升壓單元，-每個升壓單元包括連接在單元的第一輸入端子和第一輸出端子之間的二極管、 連接在單元的第二輸入端子和第二輸出端子之間的開關(guān)裝置和連接在單元的兩個輸出端 子之間的電容，-轉(zhuǎn)換組的升壓單元被級聯(lián)布置為使得一個升壓單元的第一輸出端子和第二輸出 端子分別被連接到下一個升壓單元的第一輸入端子和第二輸入端子上，和-轉(zhuǎn)換組的兩個終端升壓單元的電容，稱為終端電容，具有一共用端子，
該方法包括順序控制每個所述開關(guān)裝置以便向終端電容的端子提供連續(xù)電壓的步驟。在一種實施方式下，該方法包含檢測在至少一個所述升壓單元中的低阻抗(或短 路)故障的步驟，并且在所述檢測之后，阻斷升壓單元的所述開關(guān)裝置的步驟。阻斷操作在 于將開關(guān)裝置切換到阻斷/關(guān)閉位置，與開關(guān)的導(dǎo)通/開啟位置相反。因此能夠基于影響 到升壓單元的一定數(shù)量的故障來實施一個阻斷政策，如上文所定義。在一種實施方式下，當一轉(zhuǎn)換組在輸入電流交流半周上被激活時，強迫另一個轉(zhuǎn) 換組的開關(guān)裝置處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此避免向晶體管端子施加相反電壓。用供選擇的方法，本方法可包含這些步驟并實施與前述電路和系統(tǒng)特征有關(guān)的裝 置。本發(fā)明同樣旨在一種包含根據(jù)前述配置中的任一項的設(shè)備或系統(tǒng)的飛行器。


本發(fā)明的特征和優(yōu)勢將在閱讀結(jié)合附圖描述的最佳實現(xiàn)方式之后顯得更為清晰， 其中一圖1表示現(xiàn)有技術(shù)中AC/DC三級雙升壓電路；一圖2a和2b是現(xiàn)有技術(shù)中SMC類型多級整流器電路的兩種等效表示圖；一圖3a和3b是符合本發(fā)明的一個功率整流器電路的實施例的兩種等效表示圖；一圖4描繪在其中構(gòu)成該電路的一個開關(guān)(晶體管)弱阻抗故障的情況下圖3電 路的電性能；一圖5描繪在其中一個開關(guān)弱阻抗故障后電路阻斷的情況下圖3電路的電性能；一圖6描繪使用圖3電路的不同的功率整流器系統(tǒng)的例子；一圖6bis表示圖6電路的一個特別配置，其中各元件的最大相互性被實現(xiàn)；一圖7描繪使用圖3電路的三相供電功率整流器系統(tǒng)的例子；和一圖8a和8b分別描繪了圖3晶體管端子上弱阻抗故障的檢測裝置以及用于檢測 這一故障的該晶體管的端電壓。
具體實施例方式如上面已經(jīng)精確描繪的那樣，符合本發(fā)明的整流器電路30且如圖3所繪的一個實 施例根據(jù)圖1所示的“AC/DC三級雙升壓”轉(zhuǎn)換電路。描述一個交錯放置的2X2單元(310a、310b、320a、320b)的整流器例子，它允許相 對于圖1電路從3級升到5級且限幅頻率從Fdec升到2xFdeC。圖3的電路應(yīng)用于無差動的輸入電壓。連接到一個輸入阻抗15的交流電源12形 成功率整流器電路的電源端子31。具體來說，基于圖1電路的兩個升壓單元，電路30具有兩個不同的轉(zhuǎn)換組30a和 30b，每一組通過整流裝置，這里是整流二極管32a和32b連接到電源端子31。組30a和30b的每一組是單向的，它們讓電流僅朝一個方向流動。此外這兩組具 有相反的電流流動方向。整流二極管32a和32b在與它們分別連接到的轉(zhuǎn)換組30a和30b相同的方向上導(dǎo)
10ιΜ ο每個轉(zhuǎn)換組30i由至少2個升壓單元組成，這里是兩個310i和320i(i = a、b)， 它們甚至由一個二極管312i/322i，一個晶體管類型的受控半導(dǎo)體開關(guān)314i/324i和一個 電容器316i/326i組成。同一組30i的二極管312i/322i被安裝為同一導(dǎo)通方向。j級的每一個單元通過將j+Ι單元的二極管和開關(guān)連接到電容器j的各個端子上 而被連接到j(luò)+Ι級的一個單元。
可觀察到，j級的一個升壓單元并沒有與另一轉(zhuǎn)換組中同樣的j級的升壓單元 共用的部分或元件。這一獨立性保證了與其中一個單元的機能障礙有關(guān)的任何電壓應(yīng)力 (stress en tension)不會影響其它組中同樣j級的單元。第一級1的單元的二極管312i和開關(guān)314i被連接到整流二極管32i。最后一級(這里是級別2)的單元的每個電容器326i通過它與同一單元的開關(guān) 324 共用的端子被連接到(用于如圖3上的情況的無差動電路)AC電源12的中性端子。 因此，這些被稱為終端的電容326i有一個共用端子并被串聯(lián)在一起。每個轉(zhuǎn)換組30i的輸出通過與二極管322i共用的終端電容器326i端子連接到一 個輸出端子33i。因此，連接一個儀器(未表示出)在輸出端子33i處供電。在工業(yè)生產(chǎn) 中，經(jīng)常使用在直流電壓E = 800V下運行的儀器，此外該值被加入未來的航空標準中。受控開關(guān)314i和324i由技術(shù)人員已知的一個或幾個控制設(shè)備(未表示出，例如 j級設(shè)備)操縱。對于2X2升壓單元電路，針對同頻率的電源12，我們可以使用與上面提 及的申請FR-2 809 548中所述的相似的控制信號。因此，我們不再詳細描述通過4個開關(guān) 314 和324i的切換來實現(xiàn)4個電容器316i和326i的充電和放電的機制。該電路因此允許獲得AC側(cè)電壓(-E/2、-Ε/4、Ε/4、E/2)以及終端電容器326i的 共用端子上的0電勢。由此例外推至一個具有2XN個單元的電路的擴展則是可容易實現(xiàn)的。這樣得出 的電路同樣符合本發(fā)明的標準。然而限制到2X5個單元。超過此數(shù)，與過于大量元件串聯(lián) 的開關(guān)314i、324i處的相當大的總體損耗等，有可能危害電路的性能。AC側(cè)電壓則表現(xiàn)出2N+1個電壓級-E/2N，……，-E/4，-E/2，0，E/2，E/4，……，
E/2N。參照圖4，現(xiàn)在明確闡述根據(jù)本發(fā)明的電路的低阻抗故障的耐受性。在該圖中，圖 40顯示三相電源12的三個相的電流(這里只關(guān)心由相關(guān)電路接收的這相中的一個)穿過 相應(yīng)的輸入電感15，簡圖41顯示故障單元的電容器316a的端電壓，而簡圖42顯示電路輸 出的被穩(wěn)定的功率(以及因此的電壓，由于電流強度由于電源12保持恒定)從一個無供電 狀態(tài)(t = 0)到一個故障后被穩(wěn)定的狀態(tài)(直到t = 20ms)。晶體管314a變得低阻抗故障，換而言之它變得永久性的。圖4上，這一故障在時 刻T出現(xiàn)。直接被串聯(lián)的二極管312a則表現(xiàn)出等于-E/4的端電壓。二極管312a則變得阻 斷并隔離DC直流總線的故障，僅有相關(guān)單元310a通過浮動(flottant)電容316a的逐步 放電自然而然地設(shè)置為不工作狀態(tài)。電容316a最終放電。其端電壓在每一次限幅周期時刻Τ+Δ t處逐步降低至0，其 中At是為了允許其放電，故障晶體管所涉及的交流半周通過所需的時間。在實際應(yīng)用中，這個數(shù)值主要取決于電容器316a的特征。這次無控制放電所釋放出的能量被發(fā)送回網(wǎng)絡(luò) (來源12)。二極管312a保持在阻斷狀態(tài)，隔離故障的升壓單元310a。這里可證實，若開關(guān)314a出故障，單元310b正常運行只是它不再在二極管端子 312b上維持一基本電壓。故障單元310a被隔離，交流電流的限幅保持在鄰角單元320a上，對二極管322a 保持2倍的一個過壓。然而，這個過壓并不是必須強制的，因為相對于現(xiàn)有技術(shù)2倍標定初 始減少，作為達到的E/2標定最大值，是所尋求的最大輸出電壓。單元320a故障后的這一額外需求自然導(dǎo)致與由電源12產(chǎn)生的正電壓相關(guān)聯(lián)的電 流(電流的交流半周期)完全被這個升壓單元320a充電這一事實。這里注意到整個轉(zhuǎn)換組30b不受這一故障影響并且繼續(xù)為單元310b和320b中的 每一個按2. Fdec運行。
自然而然地，電容器316a被隔離，電路30僅以4級電壓工作-E/2、_E/4、0和E/2。然而可觀察到，盡管有故障，輸出所提供的功率保持相對穩(wěn)定(參看圖4的示意圖 42)。精確地說，在時刻t+At，觀察到輸出功率基于因為故障共用端子31經(jīng)受電勢降低，同 時通過電感端電壓降低造成這一電感電流增加，以及由此造成的能量高峰的事實的一個準 時增加。故障單元的電容器316a通過向網(wǎng)絡(luò)發(fā)回故障單元的能量來放電。由于兩個轉(zhuǎn)換組30b是明顯區(qū)分開的，同樣可能的是容許兩個單元310b和320b 中其中一個的故障。通常方式下，有可能的是整個轉(zhuǎn)換組的升壓單元一個接一個發(fā)生故障。 然而整個轉(zhuǎn)換組保證了電源電流相關(guān)交流半周上的限幅，只要存在至少一個安全的單元。為了減輕同一個轉(zhuǎn)換組30i的所有單元的任何故障，可以用可控硅整流器來替代 低頻整流二極管32i，以便自動把該轉(zhuǎn)換組隔離到0通道。我們由此避免輸出總線的任何短 接。參考圖5，現(xiàn)在描繪電路回應(yīng)低阻抗故障的另一種實施方式。這一實施方式尤其用 于當受故障影響的一個轉(zhuǎn)換組320a的幸存二極管324a的過壓限制，例如因為切換損失或 過壓，可造成嚴重阻礙時。圖5總是描繪該電路(左邊部分)并同樣顯示了相應(yīng)輸入電感端子15上的三個 相電流的示意圖50以及故障單元電容器端電壓的示意圖51。如圖4所示，電路30在T時刻受控晶體管314a上承受一個弱阻抗故障。在此實施方式下，首先檢測所受的故障。參考圖8a，已顯示了連接到一個用于檢測其中一個升壓單元故障的電壓檢測器的 晶體管的一個命令80。該檢測基于受控晶體管端子上電壓的性能來執(zhí)行。這一電路為專業(yè) 人士熟知，我們不再細敘各元件。圖8b示意圖描繪在過渡到導(dǎo)通狀態(tài)的命令(83)以及過渡到阻斷狀態(tài)的命令(84) 之后電路80-81 (曲線82的粗體部分描繪其正常性能而更細部分描繪錯誤性能，允許對故 障進行檢測)測定的晶體管314a的端電壓。如通常所用的那樣，這一系統(tǒng)允許檢測其中插入受控晶體管，這里是314a的升壓 單元的第二元件的任何故障；在當前情況下，檢測二極管312a的故障。
詳細地，晶體管314a的端電壓在阻斷狀態(tài)下為Vce。在83時刻，晶體管被置于導(dǎo) 通狀態(tài)。在升壓單元正常運行的情況下，電壓減小到幾乎為零的數(shù)值(粗體曲線)。在相鄰 二極管312a上的存在故障的情況下，電壓在幾個μ s，典型的是5 μ s后又重升到值Vce。因 此在命令83之后規(guī)定了十幾μ s的延遲以便檢測晶體管314a端子電壓是否已被修改(正 常性能)或未被修改(二極管故障表現(xiàn))。然而，這個電路80的通常使用不允許對同一晶體管314a的故障檢測，尤其是因為 由于這些電路80通常被用到這些包含兩個執(zhí)行相互監(jiān)督的晶體管的單元中而沒有一個需 要被察覺。在缺乏對同一晶體管的檢測的需求，具有對稱功能的第二晶體管不存在的情況 下，本發(fā)明的一個目的預(yù)計在過渡到阻斷狀態(tài)84之后執(zhí)行對晶體管314a上的故障的檢測。如圖8b上可見的那樣，命令84之后晶體管的正常性能表現(xiàn)(粗體曲線)趨向于 約Vce的端電壓。相反地，晶體管上出現(xiàn)故障，例如一個低阻抗故障，的情況下，這一晶體管314a在 命令84之后在其端子上不保持電壓Vce但端電壓再次回落到一個幾乎為零的數(shù)值(細曲 線)。該現(xiàn)象的檢測延遲大約5 μ S。因此規(guī)定十幾μ S的檢測時間段以確定阻斷命令 84實施之后晶體管端電壓的改變是否存在。給每個晶體管配備這樣一個電路80以及特別的檢測軟件，由此可能檢測在電路 30的任何一個晶體管上的故障。一檢測到該故障，開關(guān)的控制設(shè)備阻斷電路30的所有(運行中的)開關(guān)，如圖5 上的縮略詞OFF所示。如上所見，檢測同樣可以適用于一個二極管的故障。電路30則對應(yīng)一個簡單二極管整流器(二極管橋)，如示意圖51所繪。這一實施方式可以通過根據(jù)所實現(xiàn)的一個或一些檢測設(shè)置仍舊運行的開關(guān)的不 同阻斷政策被調(diào)制，尤其是所有開關(guān)的阻斷僅當同一個轉(zhuǎn)換組30i中的故障晶體管的數(shù)量 達到一個閾值時才被執(zhí)行。這一閾值可以理論的方式被預(yù)先確定，同時考慮到升壓二極管 標定和層級數(shù)量(由于故障造成的過壓取決于級的數(shù)量并且累積同一個轉(zhuǎn)換組中的第二 故障造成的過壓)，以便確定施加到二極管的電壓閾值。在實踐中，使用多相，例如三相的(參看圖7)電源的實施方式。在此情況下，阻斷 受故障影響的(同一相)電路的所有受控開關(guān)和三相系統(tǒng)的輸出功率，特別是為了保留DC 總線的規(guī)則，則由其它(兩個)相的電路302和303調(diào)節(jié)。參照圖6，現(xiàn)在描述本發(fā)明的目的電路在不同方案中的使用。不同功率的整流器系統(tǒng)60則包含兩個尤其與圖3的電路相同的電路30和30’，其 電源端子31和31’都分別被連接到與交流電流源的兩個端子相連接的一個輸入阻抗15和 15，。這兩個電路30和30，具有它們公用的輸出電容326a和326b，以便在端子33a和 33b之間構(gòu)成一個唯一的系統(tǒng)輸出總線60。這里觀察到具有一個共同輸出電容，被稱為“對應(yīng)”轉(zhuǎn)換組(例如30a和30’ a), 的轉(zhuǎn)換組，在電源電流12的同一電流交流半周期間不被使用。規(guī)定使兩個對應(yīng)組的各元件 相互關(guān)聯(lián)，這一相互關(guān)聯(lián)化可以支持一個或幾個元件。
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特別的是，根據(jù)一種補充實現(xiàn)方式，我們可以考慮為兩個電路30和30’的“對應(yīng)” 升壓單元使用共用電容(316a/b，316a’/b’)或并行連接兩個對應(yīng)單元的兩個電容316a/b， 316a’ /b’(這減少電容的尺寸)。圖6bis顯示了即便規(guī)定了相互關(guān)聯(lián)中間狀況時的最大相互關(guān)聯(lián)的情況。在此配 置下兩個電路30和30’的升壓單元是混合的，這帶來了二極管和晶體管數(shù)量的明顯減少。
如在該圖上所見，每個轉(zhuǎn)換組30-30’ a, 30-30' b，通過同一端子，經(jīng)由反方向定位 的整流二極管被連接到兩個電源端子。因此觀察到連接到同一個轉(zhuǎn)換組的二極管互相排斥 (導(dǎo)通方向相反)以便整個轉(zhuǎn)換組被經(jīng)由兩個整流二極管的每一個連續(xù)用于電源電流12的 兩個交流半周的每一個上。這一配置因此永久使用4個受控晶體管，實施的命令在這些不同的晶體管之間間 隔 90° (π/2)。如前所示，相互關(guān)聯(lián)可以是部分地，例如僅一個轉(zhuǎn)換組與另一條電路的相應(yīng)組相
互關(guān)聯(lián)。因此取得的不同系統(tǒng)尤其表現(xiàn)出9級電壓，用于等于4. Fdec的控制頻率。參照圖7，現(xiàn)在描述在一種無差動方案中用于多相電源12，特別是三相電源的，本 發(fā)明目標電路的使用。針對三相電源的功率整流系統(tǒng)包含3個電路3(^3(^*303，每一個與圖3的相似， 連接到電源12的相12pl22和123。3個電路擁有它們共用的輸出終端電容326a和326b以便在端子33a和33b之間 構(gòu)成一個唯一的系統(tǒng)輸出總線70。3個電路的受控開關(guān)的命令的調(diào)制是相似的。尤其是，分別在三個電路30i、302和 303的每一個中具有一個相同位置的開關(guān)受調(diào)制控制，該調(diào)制與電源相位移相相同角度，這 里基本上是2 π/3。同樣有可能的是通過將圖6的雙重電路實施到圖7的系統(tǒng)的每一個相上，來提供 一個針對多相電源的功率整流器差動系統(tǒng)則獲得6個電路βΟ^Ο'^ΟρβΟγβΟ^Π 30’3.前面的例子僅是不限制本發(fā)明的一些實施方式。
權(quán)利要求
一種由交流電源(12)提供的電流的功率整流器電路(30)，包括 兩個相區(qū)別的轉(zhuǎn)換組(30a，30b)，被布置為用于連接到所述電源的電源端子(31)上，至少一個轉(zhuǎn)換組包括多個級聯(lián)的轉(zhuǎn)換單元(310a，310b，320a，320b)，稱為升壓單元， 每個升壓單元包括連接在單元的第一輸入端子和第一輸出端子之間的二極管(312a，312b，322a，322b)、連接在單元的第二輸入端子和第二輸出端子之間的開關(guān)裝置(314a，314b，324a，324b)和連接在單元的兩個輸出端子之間的電容(316a，316b，326a，326b)， 轉(zhuǎn)換組的升壓單元被級聯(lián)布置為使得一個升壓單元的第一輸出端子和第二輸出端子分別被連接到下一個升壓單元的第一輸入端子和第二輸入端子上， 轉(zhuǎn)換組的兩個終端升壓單元(320a，320b)的電容，稱為終端電容(326a，326b)，具有一共用端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中每個轉(zhuǎn)換組包括兩個升壓單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電路，包括一對整流器裝置(32a，32b)，所述整流器裝置 被布置成用于連接到所述電源端子和分別每個所述轉(zhuǎn)換組之間，以便對輸入低頻電流進行整流。
4.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的電路，包括能夠在其中一個升壓單元低阻抗故障的 情況下阻斷所述設(shè)備的全部開關(guān)裝置的阻斷裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，包括用于檢測升壓單元(310a，b，320a，b)中的低阻抗 故障的檢測裝置，所述檢測裝置被布置成在用于檢測單元的升壓二極管(312a，b,322a, b) 故障的開關(guān)裝置觸發(fā)命令(83)之后一個預(yù)定期間內(nèi)或用于檢測開關(guān)裝置的故障的開關(guān)裝 置阻斷命令(84)之后一個預(yù)定期間內(nèi)，用于檢測單元的開關(guān)裝置(314a，b，324a，b)的端電 壓。
6.一種由多相交流電源(12)提供的電流的功率整流器系統(tǒng)(70)，包括多個根據(jù)上述 任一項權(quán)利要求所述的功率整流器電路(301; 302，303)，每個功率整流器電路被布置成用于 連接到分別與多相電流的每個相相連的電源端子(311;312，313)上，且其中這些電路共享相 同的終端電容(326a，326b)。
7.一種由交流電源提供的電流的功率整流器系統(tǒng)(60)，包括兩個根據(jù)權(quán)利要求1至5 中任一項所述的功率整流器電路(30，30’)，所述功率整流器電路被布置成用于分別連接到 電源(12)的每一個端子上，且其中這些電路共享相同的終端電容(326a，326b)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中除了設(shè)置在每一個電源端子和兩個轉(zhuǎn)換組 (30-30，a, 30-30' b)的每個輸入端之間的整流裝置(32a，b，32’ a, b)之外，所述兩個電路 (30,30')是相互混合的，被連接到轉(zhuǎn)換組的同一輸入端的所述整流裝置是互斥的，電流流 通方向相反。
9.一種由交流電源提供的電流信號的功率整流方法，該方法由整流電路實現(xiàn)，該整流 電路包括-兩個相區(qū)別的轉(zhuǎn)換組，被布置為用于連接到所述電源的供電端子上，至少一個轉(zhuǎn)換組 包括多個串聯(lián)的轉(zhuǎn)換單元，稱為升壓單元，_每個升壓單元包括連接在單元的第一輸入端子和第一輸出端子之間的二極管、連接 在單元的第二輸入端子和第二輸出端子之間的開關(guān)裝置和連接在單元的兩個輸出端子之間的電容，-轉(zhuǎn)換組的升壓單元被串聯(lián)布置為使得一個升壓單元的第一輸出端子和第二輸出端子 分別被連接到下一個升壓單元的第一輸入端子和第二輸入端子上，和-轉(zhuǎn)換組的兩個終端升壓單元的電容，稱為終端電容，具有一共用端子，所述方法包括順序控制每個所述開關(guān)裝置以便向終端電容的端子提供連續(xù)電壓的步馬聚O
10. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的設(shè)備或系統(tǒng)的飛行 器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由交流電源(12)提供的電流的功率整流器電路(30)，包括兩個相區(qū)別的轉(zhuǎn)換組(30a，30b)，被布置為用于連接到電源端子(31)上，至少一個轉(zhuǎn)換組包括多個級聯(lián)的升壓單元(310a，310b，320a，320b)，每一個升壓單元包括二極管(312a，312b，322a，322b)、開關(guān)裝置(314a，314b，324a，324b)和電容(316a，316b，326a，326b)。轉(zhuǎn)換組的兩個終端升壓單元(320a，320b)的所謂終端電容(326a，326b)具有一個共用端子。該電路尤其可包括由兩個升壓單元組成的兩個轉(zhuǎn)換組。在飛行器中安裝應(yīng)用該電子系統(tǒng)。
文檔編號H02M7/10GK101965678SQ200980108162
公開日2011年2月2日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者F·理查德尤, H·赫拉里, M·F·埃圖瑞茲, T·梅納德 申請人:空中客車運營公司;國家科研中心;圖盧茲聚合技術(shù)國家研究所