飛機座椅電源的研究

摘要：飛機座椅電源是為了滿足機上乘客電子設備用電需求而設計的。飛機座椅電源產(chǎn)品的研制對設備的國產(chǎn)化，安裝成本的降低等方面都有重要意義。在此參照DO-160F，Boeing D6-44588以及Airbus ABD0100等相關電磁測試要求，設計了一款飛機座椅電源，采用特定消諧脈寬調(diào)制(SHE-PWM)技術，實現(xiàn)了115 V／400 Hz航空電至110 V／60 Hz交流電的轉(zhuǎn)換，能夠滿足機上旅客個人電子設備的用電需求。試驗運行結果表明，該電源性能穩(wěn)定可靠，輸出電能諧波特性良好，總諧波畸變率為3．31％，符合航空用電要求。
關鍵詞：電源；特定消諧脈寬調(diào)制；諧波

1 引言
    目前，90％的旅客都攜帶移動的個人電子設備，現(xiàn)在飛機已經(jīng)開始安裝座椅電源設備以滿足旅客用電需求。機載設備的高標準決定了座椅供電系統(tǒng)必須滿足輸出電壓穩(wěn)定度高，輸出紋波小，能夠滿足各項電磁兼容性測試等條件，并且具有小型化、輕量化等特點。在上述背景下，提出了一種基于SHE-PWM的電源系統(tǒng)方案，輔以各種保護電流提高系統(tǒng)整體安全性能，并根據(jù)DO-160F標準設計電磁兼容環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)抗電磁干擾特性。與傳統(tǒng)電源相比，電源輸出波形的品質(zhì)、可靠性以及體積重量等方面有了很大優(yōu)化。

2 SHE-PWM技術
    由于飛機運行環(huán)境的特殊性，座椅電源必須符合DO-160F標準。該標準指出，設備應具備傳導及輻射干擾小、波形特性好、重量輕等特性，這給座椅電源的設計提出了更高要求：應盡量減少電源本身產(chǎn)生的諧波。SHE-PWM就是抑制諧波效果最佳的技術。該技術通過開關時刻的優(yōu)化選擇，消除選定的低頻次諧波，有效降低了開關頻率和開關損耗，提高直流電壓的利用率，具有更高的輸出電壓波形質(zhì)量。SHE-PWM方法的基本思想是通過傅里葉級數(shù)分析，得出特定脈沖波條件下的傅里葉級數(shù)展開式，根據(jù)需要確定基波分量的幅值，令需要消除的低次諧波分量的幅值為零，從而建立超越方程組，求解得到波形的傅里葉展開式各個頻率的表達式，從而消去特定頻率諧波。

    SHE-PWM電壓波形如圖1所示，每1／4周期的開關次數(shù)為N。為消除偶次諧波，波形正負半周期鏡對稱，為消除諧波中的余弦項，簡化計算過程，波形在半周期內(nèi)以，π／2為軸線對稱。因此波形的傅里葉級數(shù)可表示為：
   
    通過給定基波幅值a1，再令特定的諧波頻率aN=0，N個開關角度可構成N個獨立的方程，求解得到可獨立控制的N個角度，即可在控制基波電壓幅值的同時，選擇消除N-1個特定的諧波分量。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)整體設計方案
    該方案核心部分采用全硬件電路設計，其結構框圖見圖2。控制部分采用HT1112正弦波逆變控制芯片為控制核心，4路輸出SHE-PWM調(diào)制波，通過IR2110隔離驅(qū)動芯片驅(qū)動主功率全橋IGBT逆變電路。采用閉環(huán)穩(wěn)壓控制方式，通過檢測輸出反饋電壓大小，調(diào)整脈沖寬度，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，并輔以超溫、過流等保護電路，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。功率電路部分采用三相全橋整流、全橋逆變電路實現(xiàn)AC／DC／AC變換。實現(xiàn)了115 V／400 Hz航空電到110 V／60 Hz交流電的穩(wěn)壓變換。

4 各模塊電路設計
4．1 控制驅(qū)動模塊
    HT1112芯片產(chǎn)生的4路調(diào)制波經(jīng)過2片IR2110隔離放大輸出，并對整個電路進行保護控制。PWM波發(fā)生芯片采用基于SHE-PWM技術的HT1112芯片，旨在實現(xiàn)一種能滿足穩(wěn)壓輸出且諧波成分較少的集成電源。HT1112芯片通過檢測分壓后的反饋交流電壓，調(diào)整輸出交流電壓的幅值
與直流母線電壓之比，達到穩(wěn)壓輸出，其開關頻率可達15．12 kHz。
    隔離驅(qū)動芯片IR2110無需隔離電源。采用2片IR2110通過自舉法可實現(xiàn)IGBT橋路的四臂驅(qū)動，這對于減小系統(tǒng)整體體積，降低成本起到重要作用。因此，自舉電容的選取較為關鍵。若電容選擇過大，則可能使下橋臂關斷時電容兩端電壓不能達到上橋臂要求；若電容選擇較小，則會導致電容存儲的電能不夠維持內(nèi)部MOSFET管柵源極兩端電壓。電容所需提高的最小電量為：

    式中：Uf為二極管上下壓降；Uls為下半橋電路壓降；Umin為Ub和Us之間最小電壓。
    一般情況下，為保證自舉電容能夠?qū)㈤T極和發(fā)射極間的電壓穩(wěn)定維持一段時間，選取電容約為其最小值的15倍。在此設計選取10μF電解電容再并聯(lián)一個104瓷片電容，效果較好。[!--empirenews.page--]
4．2 功率變換模塊
    逆變橋采用型號為IKW20N60T的IGBT，具有開關損耗小，開關速度快，電磁干擾低等特點，非常適用于對電源質(zhì)量要求高的場合。整個電路的具體原理為：115 V／400 Hz航空電輸入，從負載平衡考慮，采用三相全橋整流，避免了單相整流產(chǎn)生的不平衡性。通過驅(qū)動IGBT全橋逆變，經(jīng)過濾波及反饋調(diào)節(jié)得到較穩(wěn)定的110 V／60 Hz正弦交流電輸出?？紤]機載設備在尺寸、重量上的嚴格要求，此方案未采用輸出端接入變壓器，而是通過調(diào)整直流電壓利用率達到額定電壓輸出。AC輸出通過電流互感器反饋電流信號，通過隔離變壓器反饋電壓信號。實際使用中，在每個IGBT管的門極增加獨立的去耦電阻Rg，以消除門極高頻振蕩，保護IGWT。Rg增大，會使IGWT開關速度減慢，能明顯減少開關過電壓尖峰，但增加了開關損耗。設計中選用了24 Ω電阻。為避免集射極之間的高壓會干擾柵源極電壓，引起誤導通，設計中在門射極之間并聯(lián)大電阻Rgs，其取值為：Rgs=(1～5)×103Rg，設計中參數(shù)選取為100 kΩ。
4．3 保護電路
    ①過流保護電路：通過在逆變交流輸出端接入霍爾電流互感器反饋電流信號，如超過整定值，產(chǎn)生過流信號，通過光耦隔離置P11腳低電平，關閉系統(tǒng)輸出，并通過P13腳控制故障指示燈常亮。過流保護電路如圖3所示；②超溫保護電路：采用PT100組成橋式采集電路，安裝在功率板靠近逆變橋路處，對IGBT的溫度進行檢測控制。

    設計中產(chǎn)生的過流超溫信號通過光耦與控制電路進行隔離。電源電路中，開關的控制非常重要，精度、穩(wěn)定性要求高，且控制電路對噪聲敏感，一旦有噪聲，控制電路中的控制信號就會紊亂，嚴重影響電源的工作和性能。因此，用光耦將電源中的兩部分進行隔離，從而防止了噪聲通過傳導的途徑傳入控制電路中。
4．4 濾波電感的設計
    濾波電感設計的好壞直接影響系統(tǒng)的輸出波形以及整體效率等問題。電感設計步驟如下：
    (1)L，C濾波參數(shù)的確定
   
    式中：Uo為輸出電壓；Udc為直流母線電壓；P為滿載功率；fs為開關頻率。
    該方案采用消諧波技術，逆變輸出基本不含前200次諧波，避免了傳統(tǒng)后級濾波電感體積大等問題，選取較小電感值完成濾波要求。經(jīng)過實驗驗證，選取0．5 mH電感即可完成后級濾波工作。截止頻率fc為3～3．75 kHz，即可計算濾波電容值C=1／[(2πfc)2L]=5．635μF，選取4．7 μF，fc=3 284 Hz，滿足濾波要求。
    (2)電感磁芯AP值計算  設計選取鐵硅鋁環(huán)形磁芯，它具有磁芯耗損低，溫升小，能量存儲能力高等特點。此處取Bm=0．3 T，窗口利用系數(shù)Ku=0．4，電流密度系數(shù)Kj=500，I為額定電流，可得：
   
    基于磁環(huán)繞制、AP值等方面的考慮，該設計選取型號77548A7鐵硅鋁磁環(huán)，鐵心截面積Ae=65．6mm2，鐵心窗口面積Wa=293 mm2，故磁芯的AP=AeWa=1．969 cm4>0．72 cm4，滿足設計要求。[!--empirenews.page--]
    (3)電感匝數(shù)計算  通過電感系數(shù)AL得出匝數(shù)值，AL=127，匝。
    (4)線徑選擇  取電流密度J=4 AA／mm2，則線徑計算如下：。導線橫截面積為：Sc=π(D／2)2= 0．75 mm2。由于高頻電流在導體中會有趨膚效應，使得導線橫截面電流分布不均勻，內(nèi)部電流密度小，表面電流密度大，導線有效截面積減小，故在確定線徑時還需計算導線的穿透深度。采用19號線線徑1．04 mm的導線，其D<2d，即線徑小于兩倍的穿透深度，采用單線繞制。

5 測試結果數(shù)據(jù)
    基于上述分析搭建試驗樣機，主要參數(shù)為：輸入電壓115V／400Hz，輸出電壓110V／60Hz，功率300W，開關頻率15．12kHz?？蛰d和帶筆記本電腦負載時輸出波形見圖4。帶載時，電源輸出波形頂端產(chǎn)生了少許失真。通過電能質(zhì)量分析儀對電源進行電能質(zhì)量測試，對前300次諧波分析得到的諧波數(shù)據(jù)如表1所示。其中，基頻為60．01 Hz，THD=3．31％，最高次諧波次數(shù)為255，最高單次諧波含量為1．32％，n為次數(shù)，U為電平。可見，該電源已經(jīng)具備較好的諧波特性，符合航空用電要求。

6 結論
    主要介紹了一種座椅供電系統(tǒng)的設計思路，實現(xiàn)了110V，60Hz正弦波信號的穩(wěn)定輸出，整個系統(tǒng)結構簡單，尺寸小，重量輕，運行可靠。試驗證明，與傳統(tǒng)調(diào)制方式相比，采用SHE-PWM方式系統(tǒng)輸出波形諧波特性良好，大大減小了濾波器尺寸。輸出波形總諧波畸變率為3．31％，最高單次諧波含量為1．32％，符合機載用電設備試驗電源標準中的單次諧波不高于3％，總諧波含量不超過4％的技術要求。