摘要：飛機(jī)座椅電源是為了滿足機(jī)上乘客電子設(shè)備用電需求而設(shè)計(jì)的。飛機(jī)座椅電源產(chǎn)品的研制對(duì)設(shè)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(guān)電磁測試要求，設(shè)計(jì)了一款飛機(jī)座椅電源，采用特定消諧脈寬調(diào)制(SHE-PWM)技術(shù)，實(shí)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(jī)上旅客個(gè)人電子設(shè)備的用電需求。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)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(guān)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(dòng)的個(gè)人電子設(shè)備，現(xiàn)在飛機(jī)已經(jīng)開始安裝座椅電源設(shè)備以滿足旅客用電需求。機(jī)載設(shè)備的高標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)電磁兼容性測試等條件，并且具有小型化、輕量化等特點(diǎn)。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(hù)電流提高系統(tǒng)整體安全性能，并根據(jù)DO-160F標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(shù)
    由于飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境的特殊性，座椅電源必須符合DO-160F標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)指出，設(shè)備應(yīng)具備傳導(dǎo)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(shè)計(jì)提出了更高要求：應(yīng)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(shù)。該技術(shù)通過開關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，消除選定的低頻次諧波，有效降低了開關(guān)頻率和開關(guān)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(jí)數(shù)分析，得出特定脈沖波條件下的傅里葉級(jí)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(gè)頻率的表達(dá)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(guān)次數(shù)為N。為消除偶次諧波，波形正負(fù)半周期鏡對(duì)稱，為消除諧波中的余弦項(xiàng)，簡化計(jì)算過程，波形在半周期內(nèi)以，π／2為軸線對(duì)稱。因此波形的傅里葉級(jí)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(gè)開關(guān)角度可構(gòu)成N個(gè)獨(dú)立的方程，求解得到可獨(dú)立控制的N個(gè)角度，即可在控制基波電壓幅值的同時(shí)，選擇消除N-1個(gè)特定的諧波分量。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
    該方案核心部分采用全硬件電路設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)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(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，并輔以超溫、過流等保護(hù)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(shí)現(xiàn)AC／DC／AC變換。實(shí)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(shè)計(jì)
4．1 控制驅(qū)動(dòng)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(duì)整個(gè)電路進(jìn)行保護(hù)控制。PWM波發(fā)生芯片采用基于SHE-PWM技術(shù)的HT1112芯片，旨在實(shí)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(dá)到穩(wěn)壓輸出，其開關(guān)頻率可達(dá)15．12 kHz。
    隔離驅(qū)動(dòng)芯片IR2110無需隔離電源。采用2片IR2110通過自舉法可實(shí)現(xiàn)IGBT橋路的四臂驅(qū)動(dòng)，這對(duì)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(guān)鍵。若電容選擇過大，則可能使下橋臂關(guān)斷時(shí)電容兩端電壓不能達(dá)到上橋臂要求；若電容選擇較小，則會(huì)導(dǎo)致電容存儲(chǔ)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(shí)間，選取電容約為其最小值的15倍。在此設(shè)計(jì)選取10μF電解電容再并聯(lián)一個(gè)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(hào)為IKW20N60T的IGBT，具有開關(guān)損耗小，開關(guān)速度快，電磁干擾低等特點(diǎn)，非常適用于對(duì)電源質(zhì)量要求高的場合。整個(gè)電路的具體原理為：115 V／400 Hz航空電輸入，從負(fù)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(dòng)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。考慮機(jī)載設(shè)備在尺寸、重量上的嚴(yán)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(dá)到額定電壓輸出。AC輸出通過電流互感器反饋電流信號(hào)，通過隔離變壓器反饋電壓信號(hào)。實(shí)際使用中，在每個(gè)IGBT管的門極增加獨(dú)立的去耦電阻Rg，以消除門極高頻振蕩，保護(hù)IGWT。Rg增大，會(huì)使IGWT開關(guān)速度減慢，能明顯減少開關(guān)過電壓尖峰，但增加了開關(guān)損耗。設(shè)計(jì)中選用了24 Ω電阻。為避免集射極之間的高壓會(huì)干擾柵源極電壓，引起誤導(dǎo)通，設(shè)計(jì)中在門射極之間并聯(lián)大電阻Rgs，其取值為：Rgs=(1～5)×103Rg，設(shè)計(jì)中參數(shù)選取為100 kΩ。
4．3 保護(hù)電路
    ①過流保護(hù)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(hào)，如超過整定值，產(chǎn)生過流信號(hào)，通過光耦隔離置P11腳低電平，關(guān)閉系統(tǒng)輸出，并通過P13腳控制故障指示燈常亮。過流保護(hù)電路如圖3所示；②超溫保護(hù)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(duì)IGBT的溫度進(jìn)行檢測控制。

    設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的過流超溫信號(hào)通過光耦與控制電路進(jìn)行隔離。電源電路中，開關(guān)的控制非常重要，精度、穩(wěn)定性要求高，且控制電路對(duì)噪聲敏感，一旦有噪聲，控制電路中的控制信號(hào)就會(huì)紊亂，嚴(yán)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(jìn)行隔離，從而防止了噪聲通過傳導(dǎo)的途徑傳入控制電路中。
4．4 濾波電感的設(shè)計(jì)
    濾波電感設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(guān)頻率。
    該方案采用消諧波技術(shù)，逆變輸出基本不含前200次諧波，避免了傳統(tǒng)后級(jí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選取0．5 mH電感即可完成后級(jí)濾波工作。截止頻率fc為3～3．75 kHz，即可計(jì)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(jì)算  設(shè)計(jì)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(chǔ)能力高等特點(diǎn)。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(shè)計(jì)選取型號(hào)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(shè)計(jì)要求。[!--empirenews.page--]
    (3)電感匝數(shù)計(jì)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(jì)算如下：。導(dǎo)線橫截面積為：Sc=π(D／2)2= 0．75 mm2。由于高頻電流在導(dǎo)體中會(huì)有趨膚效應(yīng)，使得導(dǎo)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(dǎo)線有效截面積減小，故在確定線徑時(shí)還需計(jì)算導(dǎo)線的穿透深度。采用19號(hào)線線徑1．04 mm的導(dǎo)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(jié)果數(shù)據(jù)
    基于上述分析搭建試驗(yàn)樣機(jī)，主要參數(shù)為：輸入電壓115V／400Hz，輸出電壓110V／60Hz，功率300W，開關(guān)頻率15．12kHz。空載和帶筆記本電腦負(fù)載時(shí)輸出波形見圖4。帶載時(shí)，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(duì)電源進(jìn)行電能質(zhì)量測試，對(duì)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?？梢?，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(jié)論
    主要介紹了一種座椅供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了110V，60Hz正弦波信號(hào)的穩(wěn)定輸出，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，運(yùn)行可靠。試驗(yàn)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(jī)載用電設(shè)備試驗(yàn)電源標(biāo)準(zhǔn)中的單次諧波不高于3％，總諧波含量不超過4％的技術(shù)要求。