飞机座椅电源的研究

摘要：飞机座椅电源是为了满足机上乘客电子设备用电需求而设计的。飞机座椅电源产品的研制对设备的国产化，安装成本的降低等方面都有重要意义。在此参照DO-160F，Boeing D6-44588以及Airbus ABD0100等相关电磁测试要求，设计了一款飞机座椅电源，采用特定消谐脉宽调制(SHE-PWM)技术，实现了115 V／400 Hz航空电至110 V／60 Hz交流电的转换，能够满足机上旅客个人电子设备的用电需求。试验运行结果表明，该电源性能稳定可靠，输出电能谐波特性良好，总谐波畸变率为3．31％，符合航空用电要求。
关键词：电源；特定消谐脉宽调制；谐波

1 引言
    目前，90％的旅客都携带移动的个人电子设备，现在飞机已经开始安装座椅电源设备以满足旅客用电需求。机载设备的高标准决定了座椅供电系统必须满足输出电压稳定度高，输出纹波小，能够满足各项电磁兼容性测试等条件，并且具有小型化、轻量化等特点。在上述背景下，提出了一种基于SHE-PWM的电源系统方案，辅以各种保护电流提高系统整体安全性能，并根据DO-160F标准设计电磁兼容环节，提高系统抗电磁干扰特性。与传统电源相比，电源输出波形的品质、可靠性以及体积重量等方面有了很大优化。

2 SHE-PWM技术
    由于飞机运行环境的特殊性，座椅电源必须符合DO-160F标准。该标准指出，设备应具备传导及辐射干扰小、波形特性好、重量轻等特性，这给座椅电源的设计提出了更高要求：应尽量减少电源本身产生的谐波。SHE-PWM就是抑制谐波效果最佳的技术。该技术通过开关时刻的优化选择，消除选定的低频次谐波，有效降低了开关频率和开关损耗，提高直流电压的利用率，具有更高的输出电压波形质量。SHE-PWM方法的基本思想是通过傅里叶级数分析，得出特定脉冲波条件下的傅里叶级数展开式，根据需要确定基波分量的幅值，令需要消除的低次谐波分量的幅值为零，从而建立超越方程组，求解得到波形的傅里叶展开式各个频率的表达式，从而消去特定频率谐波。

    SHE-PWM电压波形如图1所示，每1／4周期的开关次数为N。为消除偶次谐波，波形正负半周期镜对称，为消除谐波中的余弦项，简化计算过程，波形在半周期内以，π／2为轴线对称。因此波形的傅里叶级数可表示为：
   
    通过给定基波幅值a1，再令特定的谐波频率aN=0，N个开关角度可构成N个独立的方程，求解得到可独立控制的N个角度，即可在控制基波电压幅值的同时，选择消除N-1个特定的谐波分量。[!--empirenews.page--]

3 系统整体设计方案
    该方案核心部分采用全硬件电路设计，其结构框图见图2。控制部分采用HT1112正弦波逆变控制芯片为控制核心，4路输出SHE-PWM调制波，通过IR2110隔离驱动芯片驱动主功率全桥IGBT逆变电路。采用闭环稳压控制方式，通过检测输出反馈电压大小，调整脉冲宽度，实现稳压输出，并辅以超温、过流等保护电路，提高了系统稳定性和可靠性。功率电路部分采用三相全桥整流、全桥逆变电路实现AC／DC／AC变换。实现了115 V／400 Hz航空电到110 V／60 Hz交流电的稳压变换。

4 各模块电路设计
4．1 控制驱动模块
    HT1112芯片产生的4路调制波经过2片IR2110隔离放大输出，并对整个电路进行保护控制。PWM波发生芯片采用基于SHE-PWM技术的HT1112芯片，旨在实现一种能满足稳压输出且谐波成分较少的集成电源。HT1112芯片通过检测分压后的反馈交流电压，调整输出交流电压的幅值
与直流母线电压之比，达到稳压输出，其开关频率可达15．12 kHz。
    隔离驱动芯片IR2110无需隔离电源。采用2片IR2110通过自举法可实现IGBT桥路的四臂驱动，这对于减小系统整体体积，降低成本起到重要作用。因此，自举电容的选取较为关键。若电容选择过大，则可能使下桥臂关断时电容两端电压不能达到上桥臂要求；若电容选择较小，则会导致电容存储的电能不够维持内部MOSFET管栅源极两端电压。电容所需提高的最小电量为：

    式中：Uf为二极管上下压降；Uls为下半桥电路压降；Umin为Ub和Us之间最小电压。
    一般情况下，为保证自举电容能够将门极和发射极间的电压稳定维持一段时间，选取电容约为其最小值的15倍。在此设计选取10μF电解电容再并联一个104瓷片电容，效果较好。[!--empirenews.page--]
4．2 功率变换模块
    逆变桥采用型号为IKW20N60T的IGBT，具有开关损耗小，开关速度快，电磁干扰低等特点，非常适用于对电源质量要求高的场合。整个电路的具体原理为：115 V／400 Hz航空电输入，从负载平衡考虑，采用三相全桥整流，避免了单相整流产生的不平衡性。通过驱动IGBT全桥逆变，经过滤波及反馈调节得到较稳定的110 V／60 Hz正弦交流电输出。考虑机载设备在尺寸、重量上的严格要求，此方案未采用输出端接入变压器，而是通过调整直流电压利用率达到额定电压输出。AC输出通过电流互感器反馈电流信号，通过隔离变压器反馈电压信号。实际使用中，在每个IGBT管的门极增加独立的去耦电阻Rg，以消除门极高频振荡，保护IGWT。Rg增大，会使IGWT开关速度减慢，能明显减少开关过电压尖峰，但增加了开关损耗。设计中选用了24 Ω电阻。为避免集射极之间的高压会干扰栅源极电压，引起误导通，设计中在门射极之间并联大电阻Rgs，其取值为：Rgs=(1～5)×103Rg，设计中参数选取为100 kΩ。
4．3 保护电路
    ①过流保护电路：通过在逆变交流输出端接入霍尔电流互感器反馈电流信号，如超过整定值，产生过流信号，通过光耦隔离置P11脚低电平，关闭系统输出，并通过P13脚控制故障指示灯常亮。过流保护电路如图3所示；②超温保护电路：采用PT100组成桥式采集电路，安装在功率板靠近逆变桥路处，对IGBT的温度进行检测控制。

    设计中产生的过流超温信号通过光耦与控制电路进行隔离。电源电路中，开关的控制非常重要，精度、稳定性要求高，且控制电路对噪声敏感，一旦有噪声，控制电路中的控制信号就会紊乱，严重影响电源的工作和性能。因此，用光耦将电源中的两部分进行隔离，从而防止了噪声通过传导的途径传入控制电路中。
4．4 滤波电感的设计
    滤波电感设计的好坏直接影响系统的输出波形以及整体效率等问题。电感设计步骤如下：
    (1)L，C滤波参数的确定
   
    式中：Uo为输出电压；Udc为直流母线电压；P为满载功率；fs为开关频率。
    该方案采用消谐波技术，逆变输出基本不含前200次谐波，避免了传统后级滤波电感体积大等问题，选取较小电感值完成滤波要求。经过实验验证，选取0．5 mH电感即可完成后级滤波工作。截止频率fc为3～3．75 kHz，即可计算滤波电容值C=1／[(2πfc)2L]=5．635μF，选取4．7 μF，fc=3 284 Hz，满足滤波要求。
    (2)电感磁芯AP值计算  设计选取铁硅铝环形磁芯，它具有磁芯耗损低，温升小，能量存储能力高等特点。此处取Bm=0．3 T，窗口利用系数Ku=0．4，电流密度系数Kj=500，I为额定电流，可得：
   
    基于磁环绕制、AP值等方面的考虑，该设计选取型号77548A7铁硅铝磁环，铁心截面积Ae=65．6mm2，铁心窗口面积Wa=293 mm2，故磁芯的AP=AeWa=1．969 cm4>0．72 cm4，满足设计要求。[!--empirenews.page--]
    (3)电感匝数计算  通过电感系数AL得出匝数值，AL=127，匝。
    (4)线径选择  取电流密度J=4 AA／mm2，则线径计算如下：。导线横截面积为：Sc=π(D／2)2= 0．75 mm2。由于高频电流在导体中会有趋肤效应，使得导线横截面电流分布不均匀，内部电流密度小，表面电流密度大，导线有效截面积减小，故在确定线径时还需计算导线的穿透深度。采用19号线线径1．04 mm的导线，其D<2d，即线径小于两倍的穿透深度，采用单线绕制。

5 测试结果数据
    基于上述分析搭建试验样机，主要参数为：输入电压115V／400Hz，输出电压110V／60Hz，功率300W，开关频率15．12kHz。空载和带笔记本电脑负载时输出波形见图4。带载时，电源输出波形顶端产生了少许失真。通过电能质量分析仪对电源进行电能质量测试，对前300次谐波分析得到的谐波数据如表1所示。其中，基频为60．01 Hz，THD=3．31％，最高次谐波次数为255，最高单次谐波含量为1．32％，n为次数，U为电平。可见，该电源已经具备较好的谐波特性，符合航空用电要求。

6 结论
    主要介绍了一种座椅供电系统的设计思路，实现了110V，60Hz正弦波信号的稳定输出，整个系统结构简单，尺寸小，重量轻，运行可靠。试验证明，与传统调制方式相比，采用SHE-PWM方式系统输出波形谐波特性良好，大大减小了滤波器尺寸。输出波形总谐波畸变率为3．31％，最高单次谐波含量为1．32％，符合机载用电设备试验电源标准中的单次谐波不高于3％，总谐波含量不超过4％的技术要求。