(57)【要約】      （修正有）【課題】航空機での使用に適する軽量化した給電システムを提供する。【解決手段】ユニバーサル電力コンバータ１５は、燃料電池２０から非安定化ＤＣ電力を受け取るよう構成され、燃料電池２０の出力はＥＭＩフィルタ４５の入力に供給される。ＥＭＩフィルタ４５の出力は、インタリーブ型バックコンバータ５０とインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５との両方に共通である。インタリーブ型バックコンバータ５０とインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５とに対して単一のＥＭＩフィルタ４５を使用することにより、ユニバーサル電力コンバータ１５に使用するコンポーネントの数を削減し、複雑さを抑え軽量化を図る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非安定化ＤＣ電源からの電力を、複数のＡＣ及びＤＣ電圧出力へと変換するよう構成される給電システム（１０）であって、
安定低圧ＤＣ出力を生成するために前記非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成される、インタリーブ型バックコンバータ（５０）と、
高圧ＤＣ出力を生成するために前記非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成される、インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）と、
高圧ＡＣ出力を生成するために前記非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成される、インタリーブ型インバータ（７０）と、
前記安定低圧ＤＣ出力を生成するために前記インタリーブ型バックコンバータ（５０）を、前記高圧ＤＣ出力を生成するために前記インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）を、及び、前記高圧ＡＣ出力を生成するために前記インタリーブ型インバータ（７０）を、制御するよう構成される、制御システム（８０）と
を含む給電システム（１０）。
【請求項２】
前記インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）からの高圧ＤＣは前記インタリーブ型インバータ（７０）の入力に供給される、請求項１に記載の給電システム（１０）。
【請求項３】
前記制御システム（８０）は、
前記インタリーブ型バックコンバータ（５０）を制御するよう構成される第１の制御装置（９５）と、
前記インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）を制御するよう構成される第２の制御装置（１２０）と、
前記インタリーブ型インバータ（７０）を制御するよう構成される第３の制御装置（１０５）と、
前記第１、第２、及び第３の制御装置の動作を制御するよう構成される監視制御装置（８５）と
を備える、請求項１又は２に記載の給電システム（１０）。
【請求項４】
前記監視制御装置（８５）は、複数の制御信号（９０）に応答して、前記第１（９５）、第２（１２０）、及び第３（１０５）の制御装置の動作を制御する、請求項３に記載の給電システム（１０）。
【請求項５】
前記制御システム（８０）は前記高圧ＤＣ出力をオン及びオフするために前記インタリーブ型インバータ（７０）を動作するようさらに構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の給電システム（１０）。
【請求項６】
前記非安定化ＤＣ電源が燃料電池（２０）を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の給電システム（１０）。
【請求項７】
前記燃料電池（２０）は非安定化ＤＣ電力をＥＭＩフィルタ（４５）に供給するよう構成される、請求項６に記載の給電システム（１０）。
【請求項８】
前記ＥＭＩフィルタ（４５）は、前記インタリーブ型バックコンバータ（５０）と前記インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）との両方に共通である、請求項７に記載の給電システム（１０）。
【請求項９】
前記インタリーブ型バックコンバータ（５０）は、
対応するＸ個の複数の電圧位相を出力コンデンサに提供する、複数の並列接続されたバックコンバータ（５０）を含み、
前記制御システム（８０）は、前記複数の電圧位相が互いに対して３６０／Ｘ度インタリーブされるよう、前記複数のバックコンバータ（５０）を駆動する、
請求項１から８のいずれか一項に記載の給電システム（１０）。
【請求項１０】
前記インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）は、
各ＰＷＭ制御信号（９０）を受信するよう構成される複数のフルブリッジセルであって、各フルブリッジセルは各整流回路による整流のための各相電圧を生成する、複数のフルブリッジセルと、
第１のフィルタ回路であって、前記フルブリッジセルの第１のペアが前記第１のフィルタ回路と並列接続される、第１のフィルタ回路と、
第２のフィルタ回路であって、前記フルブリッジセルの第２のペアが前記第２のフィルタ回路に並列接続される、第２のフィルタ回路とを含み、前記第１及び第２のフィルタは互いに直列接続され並びに共通ノードを有する、
請求項１から９のいずれか一項に記載の給電システム（１０）。
【請求項１１】
前記インタリーブ型インバータ（７０）は三相４脚インタリーブ型インバータ（７０）を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の給電システム（１０）。
【請求項１２】
前記低圧ＤＣ出力は前記給電システムの低圧ＤＣ電力バス（３３）において３２ＶＤＣの電圧を供給し、前記高圧ＤＣ出力は前記給電システムの高圧ＤＣ電力バス（４３）において＋／−２７０ＶＤＣ及び／又は５４０ＶＤＣから８００ＶＤＣの電圧を供給し、前記高圧ＡＣ出力は高圧ＡＣ電力バス（２７）において２３０又は１１５ＶＡＣの電圧を供給する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の給電システム（１０）。
【請求項１３】
前記インタリーブ型バックコンバータ（５０）、前記インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）、及び前記インタリーブ型インバータ（７０）は、航空機（３２０）の機尾部分（３３５）、航空機（３２０）の前方部分（３２５）、又は航空機（３２０）の中間部分（３３０）に定位する一体のユニットとして構成される、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の給電システム（１０）。
【請求項１４】
複数の安定化された航空機供給電圧を生成する方法であって、
ＤＣ電源から非安定化低圧ＤＣ出力電力を供給することと、
前記ＤＣ電源から供給される電力を使用して安定低圧ＤＣを生成することであって、前記安定低圧ＤＣはインタリーブ型バックコンバータ（５０）を使用して生成される、生成することと、
前記ＤＣ電源から供給される電力を使用して安定高圧ＡＣを生成することであって、前記安定高圧ＡＣはインタリーブ型インバータ（７０）を使用して生成される、生成することと、
前記ＤＣ電源からの電力を使用して安定高圧ＤＣを生成することであって、前記安定高圧ＤＣはインタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）を使用して生成される、生成することと
を含む方法。
【請求項１５】
前記安定高圧ＡＣは前記安定高圧ＤＣを使用して生成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記インタリーブ型フルブリッジコンバータ（５５）の出力は、前記安定高圧ＤＣを入力電力として前記インタリーブ型インバータ（７０）に供給するよう構成される、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の前記給電システム（１０）を含む、航空機（３２０）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
航空機のための分散給電システムにおいて、燃料電池又は他の非安定化電源からの低電圧非安定化ＤＣ出力電力を使用することは、新たな技術である。従来の航空機電力システムは、通常１１５ＶＡＣ又は２３０ＶＡＣの電圧のエンジン駆動発電機などの集中発電システムを使用している。航空機の緊急用バックアップ電源は低電圧バッテリを使用する。しかしながら、このようなバックアップ電力システムは、バッテリがローカルな電力バスを支持するためにのみ採用されているため、電力コンバータを使用しない。
【０００２】
燃料電池は、局所的な及び／又はピーク電力を伝送するために航空機の補助電源として使用される。燃料電池は緊急用電源としても使用され得る。しかしながら燃料電池は、負荷によっては低負荷動作から全負荷動作へ５０％にも渡り変動する非安定化ＤＣ電圧を供給する。したがって、燃料電池は様々なレベル及び構成のＤＣ及びＡＣ電圧を供給できず、それ自体では従来の航空機におけるエンジン駆動発電機に対する有益な代替物ではない。
【発明の概要】
【０００３】
航空機での使用に適する給電システムが開示される。電力システムは、燃料電池などの非安定化ＤＣ電源からの電力を、複数のＡＣ及びＤＣ電圧出力へと変換するよう構成される。給電システムは、インタリーブ型バックコンバータ、インタリーブ型フルブリッジコンバータ、インタリーブ型インバータ、及び制御システムを含む。インタリーブ型バックコンバータは、ＤＣ電源の電力を使用して安定低圧ＤＣ出力を生成するよう構成される。インタリーブ型フルブリッジコンバータは、ＤＣ電源の電力を使用して高圧ＤＣ出力を生成するよう構成される。インタリーブ型インバータは、非安定化ＤＣ電源の電力を使用して高圧ＡＣ出力を生成するよう構成される。制御システムは、安定低圧ＤＣ出力を生成するためにインタリーブ型バックコンバータを、高圧ＤＣ出力を生成するためにインタリーブ型フルブリッジコンバータを、及び、高圧ＡＣ出力を生成するためにインタリーブ型インバータを、制御するよう構成される。一構成では、インタリーブ型インバータは、インタリーブされた４ブリッジコンバータの高圧ＤＣ出力を入力として使用し、高圧ＡＣ出力を生成する。
【０００４】
さらに、本発明は、以下の条項による実施形態を含む。
【０００５】
条項１
非安定化ＤＣ電源からの電力を、複数のＡＣ及びＤＣ電圧出力へと変換するよう構成される給電システムであって、給電システムは、
安定低圧ＤＣ出力を生成するために非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成されるインタリーブ型バックコンバータと、
高圧ＤＣ出力を生成するために非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成されるインタリーブ型フルブリッジコンバータと、
高圧ＡＣ出力を生成するために非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成されるインタリーブ型インバータと、
安定低圧ＤＣ出力を生成するためにインタリーブ型バックコンバータを、高圧ＤＣ出力を生成するためにインタリーブ型フルブリッジコンバータを、及び、高圧ＡＣ出力を生成するためにインタリーブ型インバータを、制御するよう構成される、制御システムと
を備える給電システム。
【０００６】
条項２
インタリーブ型フルブリッジコンバータからの高圧ＤＣはインタリーブ型インバータの入力に供給される、条項１に記載の給電システム。
【０００７】
条項３
制御システムは、
インタリーブ型バックコンバータを制御するよう構成される第１の制御装置と、
インタリーブ型フルブリッジコンバータを制御するよう構成される第２の制御装置と、
インタリーブ型インバータを制御するよう構成される第３の制御装置と、
第１、第２、及び第３の制御装置の動作を制御するよう構成される監視制御装置と
を備える、条項１に記載の給電システム。
【０００８】
条項４
監視制御装置は、複数の制御信号に応答して第１、第２、及び第３の制御装置の動作を制御するよう構成される、条項３に記載の給電システム。
【０００９】
条項５
制御システムは高圧ＤＣ出力をオン及びオフするためにインタリーブ型インバータを動作するようさらに構成される、条項１に記載の給電システム。
【００１０】
条項６
非安定化ＤＣ電源が燃料電池を含む、条項１に記載の給電システム。
【００１１】
条項７
燃料電池は非安定化ＤＣ電力をＥＭＩフィルタに供給するよう構成される、条項６に記載の給電システム。
【００１２】
条項８
ＥＭＩフィルタは、インタリーブ型バックコンバータとインタリーブ型フルブリッジコンバータとの両方に共通である、条項７に記載の給電システム。
【００１３】
条項９
インタリーブ型バックコンバータは、
対応するＸ個の複数の電圧位相を出力コンデンサに提供する、複数の並列接続されたバックコンバータを含み、
制御システムは、複数の電圧位相が互いに対して３６０／Ｘ度インタリーブされるよう複数のバックコンバータを駆動する、
条項１に記載の給電システム。
【００１４】
条項１０
インタリーブ型フルブリッジコンバータは、
各ＰＷＭ制御信号を受信するよう構成される複数のフルブリッジセルであって、各フルブリッジセルは各整流回路による整流のための各相電圧を生成する、複数のフルブリッジセルと、
第１のフィルタ回路であって、フルブリッジセルの第１のペアが前記第１のフィルタ回路と並列接続される、第１のフィルタ回路と、
第２のフィルタ回路であって、フルブリッジセルの第２のペアが前記第２のフィルタ回路と並列接続される、第２のフィルタ回路とを含み、第１及び第２のフィルタは互いに直列接続され並びに共通ノードを有する、条項１に記載の給電システム。
【００１５】
条項１１
インタリーブ型インバータは三相４脚インタリーブ型インバータを含む、条項１に記載の給電システム。
【００１６】
条項１２
低圧ＤＣ出力は、給電システムの低圧ＤＣ電力バスにおいて３２ＶＤＣの電圧を供給し、高圧ＤＣ出力は、給電システムの高圧ＤＣ電力バスにおいて＋／−２７０ＶＤＣ及び／又は５４０ＶＤＣ〜８００ＶＤＣの電圧を供給し、高圧ＡＣ出力は、給電システムの高圧ＡＣ電力バスにおいて２３０又は１１５ＶＡＣの電圧を供給する、
条項１に記載の給電システム。
【００１７】
条項１３
複数のシステム制御信号と、
低圧ＤＣ電力を航空機へ分配するよう構成される低圧ＤＣ電力バスと、
高圧ＤＣ電力を航空機へ分配するよう構成される高圧ＤＣ電力バスと、
高圧ＡＣ電力を航空機へ分配するよう構成される高圧ＡＣ電力バスと、
非安定化ＤＣ電源と、
低圧ＤＣ電力バスへの給電用に安定低圧ＤＣ電力を生成するために、非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成されるインタリーブ型バックコンバータと、
高圧ＤＣ電力バスへの給電用に高圧ＤＣ電力を生成するために、非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成されるインタリーブ型フルブリッジコンバータと、
高圧ＡＣ電力バスへの給電用に高圧ＡＣ電力を生成するために、非安定化ＤＣ電源の電力を使用するよう構成されるインタリーブ型インバータと、
複数の制御信号に基づいて、インタリーブ型バックコンバータ、インタリーブ型フルブリッジコンバータ、及びインタリーブ型インバータを制御するよう構成される制御システムと
を含む、航空機給電システム。
【００１８】
条項１４
インタリーブ型フルブリッジコンバータは、高圧ＤＣ出力をインタリーブ型インバータのための電源として供給するようさらに構成される、
条項１３に記載の航空機給電システム。
【００１９】
条項１５
制御システムは、
インタリーブ型バックコンバータを制御するよう構成される第１の制御装置と、
インタリーブ型フルブリッジコンバータを制御するよう構成される第２の制御装置と、
インタリーブ型インバータを制御するよう構成される第３の制御装置と、
複数のシステム制御信号に応答して第１、第２、及び第３の制御装置の動作を制御する監視制御装置と
をさらに含む、条項１３に記載の航空機給電システム。
【００２０】
条項１６
非安定化ＤＣ電源が燃料電池を含む、条項１３に記載の航空機給電システム。
【００２１】
条項１７
燃料電池は非安定化ＤＣ電力をＥＭＩフィルタに供給するよう構成される、条項１６に記載の航空機給電システム。
【００２２】
条項１８
ＥＭＩフィルタは、インタリーブ型バックコンバータとインタリーブ型フルブリッジコンバータとの両方に共通である、条項１７に記載の航空機給電システム。
【００２３】
条項１９
インタリーブ型バックコンバータ、インタリーブ型フルブリッジコンバータ、及びインタリーブ型インバータは、航空機の機尾部分、航空機の前方部分、又は航空機の中間部分に定位する一体のユニットとして構成される、条項１３に記載の航空機給電システム。
【００２４】
条項２０
給電のための制御システムであって、
インタリーブ型バックコンバータを制御するよう構成される第１の制御装置と、
インタリーブ型フルブリッジコンバータを制御するよう構成される第２の制御装置と、
インタリーブ型インバータを制御するよう構成される第３の制御装置と、
複数の制御信号に応答して、第１、第２、及び第３の制御装置の動作を制御するよう構成される監視制御装置と
を含む、制御システム。
【００２５】
条項２１
監視制御装置は、第１の動作モードで高圧ＡＣの生成を継続解除するようインタリーブ型フルブリッジコンバータに指示し、第２の動作モードで高圧ＡＣを生成するようインタリーブ型フルブリッジコンバータに指示するよう構成される、
条項２０に記載の制御システム。
【００２６】
条項２２
複数の安定化された航空機供給電圧を生成する方法であって、
ＤＣ電源から非安定化低圧ＤＣ出力を供給することと、
ＤＣ電源から供給される電力を使用して安定低圧ＤＣを生成することであって、安定低圧ＤＣはインタリーブ型バックコンバータを使用して生成される、生成することと、
ＤＣ電源から供給される電力を使用して安定高圧ＡＣを生成することであって、安定高圧ＡＣはインタリーブ型インバータを使用して生成される、生成することと、
ＤＣ電源から供給される電力を使用して安定高圧ＤＣを生成することであって、安定高圧ＤＣはインタリーブ型フルブリッジコンバータを使用して生成される、生成することと
を含む方法。
【００２７】
条項２３
安定高圧ＡＣは安定高圧ＤＣを使用して生成される、条項２２に記載の方法。
【００２８】
条項２４
インタリーブ型フルブリッジコンバータの出力は、安定高圧ＤＣを入力電力としてインタリーブ型インバータに供給するよう構成される、条項２３に記載の方法。
【００２９】
条項２５
安定高圧ＡＣは三相出力である、条項２２に記載の方法。
【００３０】
条項２６
安定高圧ＡＣは単相出力である、条項２２に記載の方法。
【００３１】
条項２７
安定高圧ＤＣが＋／−２７０ＶＤＣ、及び／又は５４０ＶＤＣから８００ＶＤＣの電圧を有する、条項２２に記載の方法。
【００３２】
条項２８
条項１のシステムを含む航空機。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】航空機に適した電力システムのブロック図である。
【図２】ユニバーサル電力コンバータの一例のブロック図である。
【図３】図２に示すＥＭＩフィルタの一構築例を示すフローチャートである。
【図４】図２に示すユニバーサル電力コンバータにおいて使用される制御システムのブロック図である。
【図５】図２のユニバーサル電力コンバータにおいて使用されるバックコンバータ回路トポロジの一実施形態を示す。
【図６】図２のユニバーサル電力コンバータにおいて使用されるインタリーブ型フルブリッジコンバータトポロジの一実施形態を示す。
【図７】図２のユニバーサル電力コンバータにおいて使用されるインタリーブ型インバータ回路トポロジの一実施形態を示す。
【図８】ユニバーサル電力コンバータが航空機のどこに配置され得るかを例示する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、航空機に適した電力システム１０のブロック図である。しかしながら、電力システム１０は航空機に限定するものではなく、非安定化ＤＣ電源を使用して複数の安定化ＡＣ及びＤＣ電力出力を生成する様々な環境で使用され得る。
【００３５】
図１の電力システム１０では、ユニバーサル電力コンバータ１５が燃料電池２０のような非安定化電源から非安定化ＤＣ電力を受け取るよう構成される。このような燃料電池は、３５〜６０ＶＤＣの範囲の非安定化ＤＣ電圧を供給することが多い。ユニバーサル電力コンバータ１５は、複数の個々の供給ユニットから形成され、単一の給電変換ユニットとして統合され得る。
【００３６】
ユニバーサル電力コンバータ１５は、燃料電池２０などのＤＣ電源から供給される非安定化低電圧ＤＣ出力を、ＡＣ及びＤＣ電圧出力を含む複数の安定化された航空機電圧へと変換するよう構成される。本明細書では、高圧ＡＣは供給出力２５において供給され、対応する供給ユニットの構成に応じて単相又は三相出力であり得る。航空機用の構成において、供給出力２５における高圧ＡＣは単相２３０ＶＡＣ、三相２３０ＶＡＣ、単相１１５ＶＡＣ、又は三相１１５ＶＡＣであり得る。いずれの例でも航空機の高圧ＡＣは約４００Ｈｚの周波数を有する。供給出力２５における高圧ＡＣは、高圧ＡＣ電力バス２７で航空機の他の部分へと分配される。
【００３７】
ユニバーサル電力コンバータ１５により２つの安定ＤＣ電圧が供給される。低圧安定ＤＣは供給出力３０において供給され、航空機の電力システムで使用する場合約３２ＶＤＣである。供給出力３０における低圧ＤＣは、低圧ＤＣ電力バス３３上で航空機の他の部分へと分配される。高圧ＤＣが供給出力２０にて供給される。航空機では高圧ＤＣは複数のＤＣ電圧レベルを有し得る。例えば、高圧ＤＣはコモンレベル（ｃｏｍｍｏｎ  ｌｅｖｅｌ）に対して＋／−ＶＤＣのレベルであり得る。様々な航空機は約＋／−２７０ＶＤＣの電圧レベルを使用する。又は、高圧ＤＣはコモンに関わらずエンドツーエンドで約５４０〜８００ＶＤＣの範囲の電圧レベルであり得る。供給出力４０における高圧ＤＣは、高圧ＤＣ電力バス４３上で航空機の他の部分に分配される。
【００３８】
図２に、ユニバーサル電力コンバータ１５の一例をブロック図で示す。図２の個々の供給ユニットは全て、供給ユニットの分離を促すインタリーブ型トポロジを有する。インタリーブ型構造により、機能を低下させ寿命を縮減させるような、燃料電池からの高周波電流パルスの引き寄せが低減される。インタリーブ型構造によりさらに、ユニバーサル電力コンバータ１５が航空機の厳格な排出要件を満たすよう、各供給ユニットに使用されるＥＭＩフィルタのサイズ縮小が可能となる。またさらに、インタリーブ型構造が個々の供給ユニットに使用された場合、ユニバーサル電力コンバータ１５は比較的軽量である。
【００３９】
図２では燃料電池２０の出力がＥＭＩフィルタ４５の入力に供給される。ＥＭＩフィルタ４５の出力は、インタリーブ型バックコンバータ５０とインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５との両方に共通である。要求されないが、インタリーブ型バックコンバータ５０とインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５とに対して単一のＥＭＩフィルタ４５を使用することにより、ユニバーサル電力コンバータ１５に使用するコンポーネントの数を削減できる。これにより複雑さを抑え軽量化も図れる。航空機においてはユニバーサル電力コンバータ１５の軽量化が望ましい。
【００４０】
図３にＥＭＩフィルタ４５の一構築例を示す。ＥＭＩフィルタ４５は燃料電池２０からの不要なノイズを除去する。コンデンサＣＸ並びにＥＭＩフィルタチョークＬ１及びＬ２漏れインダクタンスがディファレンシャルモードノイズを制限する一方、接地コンデンサＣＹがコモンモードノイズを除去する。
【００４１】
図２を再び参照すると、インタリーブ型バックコンバータ５０は、対応するＥＭＩフィルタ６０を介して安定低圧ＤＣを供給出力３０へと供給する。繰り返すが、航空機において安定低圧ＤＣは約３２ＶＤＣである。
【００４２】
インタリーブ型フルブリッジコンバータ５５は、供給出力４０に供給する高圧ＤＣを生成するために、ＥＭＩフィルタ４５の出力におけるＤＣ電力を使用する。高圧ＤＣはコモンセンター基準（ｃｏｍｍｏｎ  ｃｅｎｔｅｒ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）に応じて＋／−ＶＤＣであり得るか、又はコモンに関らずエンドツーエンドでより高いＤＣ電圧であり得る。ユニバーサル電力コンバータ１５が航空機で使用される場合、高圧ＤＣはコモンに対して約＋／−２７０ＶＤＣである。又は高圧ＤＣはエンドツーエンドで約５４０〜８００ＶＤＣの範囲であり得る。インタリーブ型フルブリッジコンバータ５５の出力は、供給出力４０に高圧ＤＣを供給するＥＭＩフィルタ６５の入力へと引き渡される。
【００４３】
高圧インタリーブ型インバータ７０は、インタリーブされるインバータの構成によって、入力における高圧ＤＣを出力において単相又は三相高圧ＡＣへと変換するよう構成される。この例では、高圧ＡＣは第１の電圧レベル又は第２の電圧レベルのいずれかであるよう制御される。図２で第１の電圧レベルは約１１５ＶＡＣであり、第２の電圧レベルは約２３０ＶＡＣと高めである。ここで、航空機に使用される場合、第２の電圧レベルは第１の電圧レベルの約２倍である。図示のように、インタリーブ型インバータ７０の出力は、さらなるＥＭＩフィルタ７５の入力へと供給され、これによりユニバーサル電力コンバータ１５の供給出力２５に高圧ＡＣが供給される。
【００４４】
ユニバーサル電力コンバータ１５はまた、制御システム８０を含む。制御システム８０は、１）安定低圧ＤＣを生成するためにインタリーブ型バックコンバータ５０を、２）高圧ＤＣを生成するためにインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５を、３）高圧ＡＣを生成するためにインタリーブ型インバータ７０を、制御するよう構成される。これらの全ユニットはインタリーブ型供給ユニットであるため、制御システム８０は、ユニットにより供給される電圧出力レベル及びＡＣ位相を、電力バスの負荷の必要性に適合するよう容易に構成することができる。このことは、各供給ユニットに対するＰＷＭ制御信号を調整するよう制御システム８０に指示し、供給ユニットを効率的にオンオフして、出力における電圧レベルを変化させることにより達成され得る。
【００４５】
図４は、制御システム８０のブロック図である。システムアーキテクチャは機能的に４つのユニットに分けられる。すなわち監視制御装置８５、バックコンバータ制御装置９５（第１の制御装置）、フルブリッジコンバータ制御装置１２０（第２の制御装置）、及びインバータ制御装置１０５（第３の制御装置）である。制御システム８０の実装は単一のマイクロコントローラチップ、コンピュータ、又は複数のチップ上でなされ得る。
【００４６】
この例では、監視制御装置８５が複数のシステム制御信号に応答して第１、第２、及び第３の制御装置の動作を制御する。具体的には、監視制御装置８５は他の航空機システムから制御信号９０を受信する。制御信号９０は例えば、航空機の電力バス２７、３３、及び４３における負荷の、検出された必要性に対応する。さらに、制御信号９０は、例えば航空機コックピットにおけるスイッチの手動操作に対応する。
【００４７】
監視制御装置８５は、各供給ユニットにそれぞれ関連付けられている個々の制御装置と通信する。監視制御装置８５により供給される制御信号は、各供給ユニットのオンオフ、及び供給ユニットの電圧出力レベル設定のために、個々の制御装置により使用される。
【００４８】
監視制御装置８５と他の供給ユニット制御装置との通信経路が、図４に示される。図示のように、バックコンバータ制御装置９５は監視制御装置８５から通信経路１００により制御信号を受信し、制御信号はバックコンバータ制御装置９５により、インタリーブ型バックコンバータ５０を制御するＰＷＭ制御信号を生成するために使用される。インタリーブ型インバータ制御装置１０５は監視制御装置８５から通信経路１１０により制御信号を受信し、制御信号はインタリーブ型インバータ制御装置１０５により、インタリーブ型インバータ７０の動作を制御するＰＷＭ制御信号を生成するために使用される。フルブリッジコンバータ制御装置１２０は監視制御装置８５から通信経路１２５により制御信号を受信し、制御信号はフルブリッジコンバータ制御装置１２０により、インタリーブ型フルブリッジコンバータ５５の動作を制御するＰＷＭ制御信号を生成するために使用される。
【００４９】
図２を参照すると、ユニバーサル電力コンバータ１５は供給出力電圧を得るのに使用する供給ユニットの数を減少させるために実装される。この目的のためインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５の出力は、インタリーブ型インバータ７０の入力及び供給出力４０の両方に供給される。しかしながら、供給出力２５における高圧ＡＣ及び供給出力４０における高圧ＤＣは、互いに排他的な手法で供給される。
【００５０】
第１の動作モードでは、ユニバーサル電力コンバータ１５が、低圧ＤＣ（例えば３２ＶＤＣ）を供給出力３０にて、高圧ＤＣ（例えば＋／−２７０ＶＤＣ又は５４０〜８００ＶＤＣ）を供給出力４０にて供給するよう、航空機の電力システムが構成される。しかしながら、第１の動作モードでは高圧ＡＣ電力バス２７における負荷はユニバーサル電力コンバータ１５から効率的に接続解除され、これによりインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５からの全ＤＣ電力が、高圧ＤＣ電力バス４３への供給出力４０において利用可能となる。インタリーブ型インバータ７０は制御システム８０の指示により、第１の動作モードにおける全てのしかし最もマイナーな電力生成活動を効率的に継続解除し得る。
【００５１】
第２の動作モードでは、ユニバーサル電力コンバータ１５が、低圧ＤＣ（例えば３２ＶＤＣ）を供給出力３０にて、高圧ＡＣ（例えば単相又は三相２３０ＶＡＣ又は１１５ＶＡＣ）を供給出力２５にて供給するよう、航空機の電力システムが構成される。しかしながら、第２の動作モードでは高圧ＤＣ電力バス４３における負荷はユニバーサル電力コンバータ１５から効率的に接続解除され、これによりインタリーブ型フルブリッジコンバータ５５からの全ＤＣ電力がインタリーブ型インバータ７０にとって、高圧ＡＣ電力バス２７に供給するための高圧ＡＣへの変換に利用可能となる。この構成では、出力電力をインタリーブ型インバータ７０へと供給する中間高圧ＤＣコンバータは必要なく、ユニバーサル電力コンバータ１５の複雑さと重量を抑えることができる。
【００５２】
図５は並列接続されたバックコンバータを有するバックコンバータ回路トポロジの一実施形態を示す。複数の並列接続されたバックコンバータは、対応するＸ個の複数の電圧位相を出力コンデンサに提供する。制御システムは、複数の電圧相が互いに対して３６０／Ｘ度インタリーブされるよう、複数のバックコンバータを駆動する。
【００５３】
この例では６つのバックコンバータが並列接続され共通の入力コンデンサ１４０及び共通の出力コンデンサ１４５を共用している。各バックコンバータは、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ群１５０に示す各ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオード（ダイオード群１５５に示す各ダイオード）、及び専用のインダクタ（インダクタ群１６０に示す各専用インダクタ）を有する。インダクタ１６０は、回路の出力において共通ノード１７０に接続される。各インダクタから出力される電流はそれぞれの電流センサによって監視され、これにより、バックコンバータ制御装置９５の制御バス１６７へと相電流測定値が提供される。バックコンバータの出力電圧に対応する電圧もまた、制御バス１６７上でバックコンバータ制御装置９５の入力へと提供される。
【００５４】
相電流、出力電圧、及び通信経路１００の制御信号はバックコンバータ制御装置９５により使用され、ＰＷＭ制御信号１６５が生成される。ここで各制御信号はそれぞれのバックコンバータに関連付けられる。６つの位相は６０度インタリーブされ、入力及び出力電流リップルを減衰させる。この配列によりＭＯＳＦＥＴデバイスの電流ストレス及び熱ストレスをも減少させる。航空機のシステムでは、６つの位相全てに対し電流シェアリング制御を伴い、低圧ＤＣ出力は３２ＶＤＣで安定化される。
【００５５】
図６は、複数のフローブリッジセルを有するインタリーブ型フルブリッジコンバータトポロジの一実施形態を示し、各フルブリッジセルが各整流回路による整流のための各相電圧を生成する。この例ではコンバータは、４つのフルブリッジセル並びに２組のフィルタ２５０及び２５５を含む、三相４脚のインタリーブ型インバータコンバータトポロジである。４つのフルブリッジセルのうち１つが破線で囲われ参照２４５で指定されている。各フルブリッジセルは４つのＭＯＳＦＥＴ、１つの高周波変圧器、及び２つの整流ダイオードを含む。フルブリッジコンバータ制御装置１２０は４つのフルブリッジセルを駆動するために、インタリーブＰＷＭ制御信号を生成する。監視制御装置８５により提供される制御信号、各フィルタ２５０及び２５５の出力に位置する電流センサにより提供される電流フィードバック信号、並びに、各フィルタ２５０及び２５５の出力に渡る電圧に対応する電圧フィードバック信号に応答して、ＰＷＭ制御信号がフルブリッジコンバータ制御装置１２０により生成される。
【００５６】
フルブリッジコンバータの４つのセルは全て、入力側をＥＭＩフィルタ４５へ向けて並列接続される。燃料電池２０からの入力電流リップルの引き寄せを最小化するために、位相は４５度インタリーブされる。位相間での均等な電流シェアリングを促進するよう、位相の出力は直列接続される。
【００５７】
図６では、＋２７０ＶＤＣ出力を生成するためにフルブリッジセルのうちの２つが９０度インタリーブされているが、他の２つのフルブリッジセルもまた、−２７０ＶＤＣ出力を生成するために互いに対して９０度インタリーブされている。出力電圧を倍加させ、出力電圧リップルを最小化し、電流を均等にシェアするために、出力は直列接続される。動作時、共通ノード２６０に対して＋／−２７０ＶＤＣが生成される。監視制御装置８５の指示により、フルブリッジコンバータ制御装置１２０はまた、端ノード２６５及び２７０の間に約５４０〜８００ＶＤＣの範囲の電圧レベルを有する高圧ＤＣを生成するために、フルブリッジセルの動作を制御する。
【００５８】
図７は、インタリーブ型インバータ回路トポロジの一実施形態である。この例でインタリーブ型インバータ７０は、インタリーブ型フルブリッジコンバータ５５から入力電力を受け取る。フルブリッジコンバータ５５から供給される入力電力は、約５４０〜８００ＶＤＣの範囲の電圧レベルを有する。ここでインタリーブ型インバータ７０はフルブリッジコンバータ５５からの高圧ＤＣを約４００Ｈｚにおいて約２３０ＶＡＣ相‐中間電圧（ｐｈａｓｅ−ｔｏ−ｎｅｕｔｒａｌ  ｖｏｌｔａｇｅ）の電圧レベルを有する三相高圧ＡＣへと変換する。
【００５９】
インタリーブ型インバータトポロジは２つのスイッチバンク２８０及び２８５、４つのインターセル変圧器Ｔ１〜Ｔ４，３つのフィルタコンデンサバンクを含む。各スイッチバンクは４つのハーフブリッジレグを含む。スイッチバンクを駆動するＰＷＭ制御信号は１８０度インタリーブされる。２つのスイッチバンク２８０及び２８５の同相は、対応するインターセル変圧器Ｔ１〜Ｔ４を介して並列接続される。
【００６０】
インバータ制御装置１０５は、監視制御装置８５から通信バス１１０で受信した制御信号に基づいてＰＷＭ制御信号を生成する。インバータ制御装置はまた、１）線３０５で提供される相‐中間電圧フィードバック、２）線３１０で提供される相電流フィードバック、及び３）線３１５で提供されるディファレンシャル電流フィードバック、に応答してＰＷＭ制御信号を生成する。対応する電流センサが、インターセル変圧器Ｔ１〜Ｔ４のそれぞれに関連付けられる。
【００６１】
図８は、安定化された航空機供給電圧を供給する給電システムを航空機において使用するために、ユニバーサル電力コンバータ１５が航空機３２０のどこに配置され得るかを例示する。ここでは、ユニバーサル電力コンバータ１５の３つの位置、１）航空機３２０の例えばコックピット近傍の前方部分３２５、２）航空機３２０のエンジン／翼近傍の中間部分３３０、３）航空機３２０の例えばＡＰＵ近傍の機尾部分３３５、が示される。これらの位置の任意の１つに単一のユニバーサル電力コンバータ１５が配置されてもよく、又はこれらの位置の複数に複数のユニバーサル電力コンバータが配置されてもよい。航空機３２０の設計によっては他の位置も同様に好適であろう。インタリーブ型バックコンバータ、インタリーブ型フルブリッジコンバータ、及びインタリーブ型インバータは、これらの位置のいずれかに定位する一体化されたユニットであり得る。付加的又は代替的に、インタリーブ型バックコンバータ、インタリーブ型フルブリッジコンバータ、及びインタリーブ型インバータは別個のユニットとして航空機３２０全体に渡り分配されてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０    給電システム
１５    ユニバーサル電力コンバータ
２５    供給出力
２７    電力バス
３０    供給出力
３３    電力バス
４０    供給出力
４３    電力バス
５５    インタリーブ型フルブリッジコンバータ
７０    インタリーブ型インバータ
８０    制御システム
９０    制御信号
１００    通信経路
１１０    通信経路／通信バス
１２５    通信経路
１４０    入力コンデンサ
１４５    出力コンデンサ
１５０    ＭＯＳＦＥＴ群
１５５    ダイオード群
１６０    インダクタ群
１６５    ＰＷＭ制御信号
１６７    制御バス
１７０    共通ノード
２４５    参照（４つのフルブリッジセルのうちの１つ）
２５０、２５５    フィルタ
２６０    共通ノード
２６５、２７０    端ノード
２８０、２８５    スイッチバンク
３０５、３１０、３１５    線
３２０    航空機
３２５    前方部分
３３０    中間部分
３３５    機尾部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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2015053848000002.pdf
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