飞行器电推进系统新型DC/DC转换器技术方案解析

商业科技资讯平台获悉，在航空运输向高效、低碳转型的趋势下，电气推进系统已成为航空工程领域的核心研发方向，其中混合推进架构(串联式混合动力)凭借热电能源与电能存储的协同优势，广泛应用于垂直起降(VTOL)和常规起降(CTOL)飞机。如图1所示，传统混合推进架构101通过内燃机103驱动发电机107，经整流器109将交流电转换为直流电后接入高压直流(HVDC)母线111，再通过DC-AC转换器113a、113b为驱动螺旋桨117a、117b的电动机115a、115b供电。电气储能单元119(如电池、超级电容)作为关键组件，承担吸收母线过剩电能、瞬态阶段补充供电及故障时应急供电等功能，是保障HVDC母线电压稳定、避免电压崩溃的核心环节。

图1 为现有技术中航空器混合动力推进架构一实施例的示意图

随着航空技术对飞机轻量化、高可靠性和长续航能力的要求不断提升，储能单元与HVDC母线的接口技术成为制约系统性能的关键。DC-DC转换器作为接口核心部件，需实现电压适配、功率控制和储能保护等功能，但传统技术方案在效率、体积和兼容性方面难以满足现代航空推进系统的严苛需求。本文提出的新型DC-DC转换器，针对现有技术痛点提供创新解决方案，为航空电气推进系统的性能优化提供技术支撑。

当前航空电气推进系统中，储能单元与HVDC母线的连接主要采用两种技术方案，均存在显著缺陷，严重制约了系统的可靠性、效率和灵活性。

第一种方案为直接连接模式，即储能单元(如电池组)不通过DC-DC转换器直接接入HVDC母线。该方案的核心优势是省去转换器带来的质量、体积和成本开销，理论上可简化系统结构。但由于电池的电化学特性，直接连接模式存在不可规避的技术瓶颈：其一，母线电压完全由储能单元电压决定，所有并联的储能单元必须承受相同电压，导致系统电压调节缺乏灵活性，无法根据负载需求和储能状态动态优化电压水平；其二，储能单元的荷电状态(SOC)直接影响母线电气参数，随着SOC变化，电池的电压、内阻等参数会发生显著波动，进而导致母线电压不稳定，增加负载(如电动机)的控制难度；其三，多储能单元并联时，各单元SOC必须完全一致，否则接入瞬间会产生巨大的瞬态电流，严重冲击电池电极和母线组件，可能导致电池热失控或母线元件损坏。尽管可通过专用平衡系统缓解该问题，但额外的平衡装置会增加系统质量和体积，违背直接连接模式的设计初衷。此外，直接连接模式下，储能单元缺乏有效的电压和电流保护机制，易因母线电压突变或负载故障导致过充、过放，缩短储能单元使用寿命。

第二种方案是在储能单元与母线之间增设传统DC-DC转换器，通过转换器实现电压解耦、功率调节和 galvanic 隔离。该方案虽解决了直接连接的部分问题，但引入了新的技术缺陷：其一，传统DC-DC转换器(如双有源桥DAB结构)需传输储能单元的全部功率，导致被动元件(如变压器、电感)必须按照最大输出功率设计，体积和质量庞大，与航空系统轻量化要求冲突；其二，功率传输过程中的能量损耗显著，传统转换器的效率通常不超过90%，在长航时飞行中会造成大量能源浪费，降低系统续航能力；其三，控制复杂度高，为实现电压升降、双向功率流和 galvanic 隔离，需采用复杂的调制策略，增加了控制系统的故障率；其四，硬件成本高昂，高功率等级的晶体管、变压器等元件不仅价格昂贵，还对散热系统提出更高要求，进一步增加了系统体积和重量。此外，传统转换器的电压适配范围有限，难以兼容不同类型的储能单元(如电池与超级电容的电压等级差异)，当需要新增或更换储能单元时，需重新设计转换器参数，系统扩展性差。

两种方案的核心矛盾在于：直接连接模式牺牲了系统稳定性和灵活性以追求轻量化，而传统转换器方案虽提升了可控性，却导致效率下降和体积质量增加。在航空推进系统对轻量化、高可靠性和长续航的严苛要求下，现有技术已无法满足实际应用需求，亟需开发一种兼顾效率、体积和控制灵活性的新型DC-DC转换技术。

本文提出的新型DC-DC转换器针对现有技术痛点，通过创新的拓扑结构设计，实现了部分功率传输(PPC)、电压解耦、灵活控制和高可靠性的有机统一。该转换器串联于电气储能单元与HVDC母线之间，构成如图2、图3所示的电气推进系统201核心接口，其核心创新在于变压器的双次级结构、四象限整流器设计及电流源控制机制，以下从系统架构、核心组件、实施例差异、控制策略和技术优势五个方面详细说明。

图2 为本发明所述电动航空器推进系统一实施例的示意图

图3 为本发明所述电动航空器推进系统一实施例的示意图

如图2和图3所示，电气航空推进系统201主要由热电源203、电气储能单元205、HVDC母线207、DC-DC转换器209、电感器213、电容器211和组件215构成。热电源203包含内燃机203a、发电机203b和整流器203c，内燃机驱动发电机产生交流电，经整流器转换为直流电后接入HVDC母线207；储能单元205可为电解型电流源(如超级电容)或电化学型电流源(如电池)，通过DC-DC转换器209与母线连接，实现能量的双向传输；电容器211并联于热电源输出端和转换器输出端，用于稳定母线电压，确保负载(如电动机)获得平稳的电压供应；电感器213与组件215共同构成DC-DC转换器的核心部分，实现功率控制和电流调节。

DC-DC转换器209作为系统的核心接口部件，其核心功能是通过部分功率传输机制，在储能单元205与HVDC母线207之间建立灵活的能量通道：既实现两者的电压解耦，允许储能单元与母线维持不同电压水平；又能精确控制功率流向和传输大小，保护储能单元免受瞬态电流冲击；同时通过优化拓扑结构，最大限度降低转换器的体积、质量和能量损耗。此外，系统还可增设接触器(未图示)，当转换器发生故障时，接触器激活并直接连接母线高电位与储能单元高电位，确保储能单元仍可正常供电，提升系统冗余性。

DC-DC转换器209的拓扑结构如图4所示，主要由逆变器401、变压器403、整流器405和电流源417四部分组成，各组件协同工作实现DC-AC-DC的转换和功率控制，以下详细说明各组件的结构、功能及参数设计。

图4 为本发明所述电动航空器推进系统中

DC-DC转换器一实施例的示意图

1. 逆变器

逆变器401的核心功能是将储能单元205输出的直流输入电压转换为第一交流电压，为变压器403提供输入信号。如图4所示，逆变器采用单相全桥拓扑，包含四个晶体管413a、413b、413c、413d，分为两条串联支路(413a与413c串联、413b与413d串联)，支路两端分别连接储能单元正负极。晶体管优选MOSFET或IGBT类型，更优方案为采用碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料制备，此类材料具有耐高温、开关损耗低的特性，可支持更高的开关频率。

逆变器的开关频率设计为大于几十kHz，优选100kHz及以上(如100-200kHz)。高开关频率带来两大优势：一是可减小变压器403和后续电感元件的体积，因为磁性元件的尺寸与开关频率成反比，高频化能显著降低磁芯体积和绕组匝数；二是提升输出交流电的波形质量，便于后续整流器405的滤波和控制。例如，IGBT晶体管的典型开关频率为30-40kHz，而SiC MOSFET可轻松达到100kHz以上，结合优化的调制策略，能使逆变器输出的交流电压谐波含量显著降低，为变压器和整流器的高效工作奠定基础。

2. 变压器

变压器403是实现电压转换和 galvanic 隔离的关键组件，其创新设计是本方案的核心亮点之一。如图4所示，变压器采用“初级+双次级”结构，包含初级绕组403a和两个次级绕组403b、403c。两个次级绕组403b、403c共享一个公共端子407，该公共端子直接连接至HVDC母线207；次级绕组的另外两个端子409、411分别连接至整流器405的两条臂，形成对称式输出结构。

变压器的电压转换比根据应用场景设计：当储能单元标称电压高于母线控制所需电压时，采用降压变压器(如图4所示)，将逆变器输出的第一交流电压降压为第二交流电压；若储能单元电压低于母线电压，则可配置为升压变压器。变压器的结构类型可选择平面式或绕线式，平面式变压器具有体积小、漏感低的优势，更适合航空轻量化需求；绕线式变压器则在大功率场景下具有更好的散热性能，可根据系统功率等级(50-2000kW)灵活选择。此外，变压器还可配置为具有 galvanic 隔离功能，通过初级与次级绕组的电气隔离，避免母线侧故障对储能单元造成冲击，提升系统安全性。

双次级绕组的设计具有重要意义：一方面，公共端子407直接连接母线，使次级绕组输出电压与母线电压形成自然耦合，为部分功率传输提供结构基础；另一方面，对称的次级输出结构确保整流器405的两条臂受力均衡，降低单个晶体管的电压应力，延长器件使用寿命。

3. 整流器

整流器405的功能是将变压器403输出的第二交流电压转换为直流输出电压，同时实现四象限运行(即双向功率流和升降压功能)。如图4所示，整流器采用两臂串联拓扑，每条臂包含两个串联的晶体管(415a与415b串联、415c与415d串联)，晶体管优选MOSFET类型，具有导通电阻小、开关速度快的优势。整流器的两条臂一端分别连接变压器次级端子409、411，另一端共同连接至电流源417，形成对称式整流结构。

本方案提供了多种整流器实施例，以适应不同的应用场景和控制需求：

• 实施例1(图4)：串联于每个次级绕组的两个晶体管(如415a与415b、415c与415d)采用公共栅极控制。该设计的优势是减少控制信号数量，每条臂仅需一个控制信号即可实现两个晶体管的同步开关，简化控制系统复杂度，降低故障率。

• 实施例2(图5)：串联晶体管采用分离栅极控制。即415a与415b的栅极独立控制，415c与415d的栅极独立控制。该设计可实现单个晶体管的灵活开关，提升整流器的控制自由度，例如通过不对称调制实现输出电压的精细调节，或在故障时关闭单个晶体管以保护其余组件。

图5 为本发明所述电动航空器推进系统中

DC-DC转换器一实施例的示意图

• 实施例3(图6、图7)：在晶体管两端并联二极管419。二极管的作用是吸收瞬态过电压，保护晶体管免受电压尖峰冲击。图6采用公共栅极控制，图7采用分离栅极控制，兼顾了保护功能和控制灵活性，适用于母线电压波动较大的场景。

图6 为本发明所述电动航空器推进系统中

DC-DC转换器一实施例的示意图

图7 为本发明所述电动航空器推进系统中

DC-DC转换器一实施例的示意图

• 实施例4(图8、图9)：增设RC滤波器421。滤波器可连接于变压器与整流器之间(图8)，或并联于整流器每条臂的晶体管两端(图9)，优选RC滤波类型。RC滤波器通过电阻与电容的串联组合，可有效抑制特定频率的谐波信号，减少逆变器高开关频率带来的电压纹波，使整流器输出的直流电压更平稳，同时降低电流源417的工作压力。

图8 为本发明所述电动航空器推进系统中

DC-DC转换器一实施例的示意图

图9 为本发明所述电动航空器推进系统中

DC-DC转换器一实施例的示意图

整流器的四象限运行能力是实现双向功率流的关键：当储能单元需要充电时，整流器将母线侧的直流电压转换为交流电压，经变压器反向传输至逆变器，再转换为直流电压为储能单元充电；当储能单元放电时，整流器则执行正向整流功能，将变压器输出的交流电压转换为直流电压接入母线。这种双向工作模式使储能单元既能吸收母线过剩能量，又能在瞬态阶段(如起飞)向母线补充功率，显著提升系统的能量利用率和响应速度。

4. 电流源

电流源417是实现部分功率传输和功率控制的核心组件，其结构为电感器与储能单元的组合(如图3所示，电感器213与储能单元205构成电流源)。电流源连接于整流器405的公共输出端与参考地之间，同时实现DC-DC转换器209与HVDC母线207的参考电平互联，即转换器的参考电压通过电流源与母线参考电压保持一致。

电流源的工作原理是通过电感器的储能和释能特性，控制储能单元与母线之间的电流大小和方向：当储能单元电压与母线电压存在差值时，电流源通过调节电感器电流，使转换器仅传输“电压差值对应的部分功率”，而非全部功率，因此本转换器被称为“部分功率转换器(PPC)”。例如，当储能单元电压与母线电压接近时，传输功率趋近于零，转换器效率接近100%；当两者电压差值较大时，电流源通过增大电感器电流，提升传输功率，确保储能单元SOC的快速调节。

电流源的设计带来三大核心优势：其一，转换器的功率等级仅需根据最大电压差值设计，而非储能单元的额定功率，因此被动元件(如变压器、电感)的体积和质量可显著减小，满足航空轻量化要求；其二，精确控制储能单元的充放电电流，避免瞬态大电流冲击，保护电池电极或超级电容的电解质，延长储能单元使用寿命；其三，实现储能单元SOC的独立控制，无论母线电压如何波动，均可通过调节电流源电流，维持储能单元的SOC在目标范围内，提升系统稳定性。

本方案的控制策略通过逆变器和整流器的协同调制，实现电压转换、功率控制和波形优化，以下结合图10和图11的控制序列与电压波形进行说明。

图10 为本发明所述DC-DC转换器中逆变器的晶体管控制序列示例，以及逆变器响应该控制序列所生成的交流电压示例

图11 为根据图10所示示例中逆变器生成的电压，在本发明所述DC-DC转换器整流器的两个支路两端获得的电压示例

1. 逆变器控制序列

图10左侧展示了逆变器401的晶体管控制序列，其中Q1、Q2、Q3、Q4分别对应晶体管413a、413b、413c、413d。控制信号为方波信号，电压幅值在0(关断)和1(导通)之间切换，通过不同晶体管的互补导通实现交流电压输出。例如，当Q1和Q4导通、Q2和Q3关断时，逆变器输出正向电压；当Q2和Q3导通、Q1和Q4关断时，输出反向电压；通过高频切换导通状态，形成连续的交流方波信号。

图10右侧展示了逆变器输出至变压器初级的交流电压波形，该波形为对称方波，频率与晶体管开关频率一致(如100kHz)。方波电压的幅值由储能单元电压决定，通过调节方波的占空比(导通时间与周期的比值)，可改变输出交流电压的有效值，进而控制变压器的次级输出电压。

2. 整流器输出电压

图11展示了整流器405的输入与输出电压波形：顶部曲线为变压器初级电压(即逆变器输出电压)；中部曲线K1为整流器第一条臂(415a与415b串联)的两端电压；底部曲线K2为第二条臂(415c与415d串联)的两端电压。由于变压器双次级绕组的对称设计，K1和K2波形呈现对称特性，幅值由变压器变比和初级电压决定。

整流器通过对晶体管415a-d的开关控制，将K1和K2对应的交流电压转换为直流电压。例如，在公共栅极控制模式下，两条臂的晶体管同步导通和关断，通过全波整流将交流电压转换为直流电压；在分离栅极控制模式下，可通过调节单个晶体管的导通时间，实现输出直流电压的精细调节。RC滤波器421的加入使整流后的直流电压纹波显著降低，波形更平稳，确保接入母线的电压符合负载要求。

本方案提出的新型DC-DC转换器通过拓扑结构创新和控制策略优化，全面解决了现有技术的痛点，具有以下核心优势：

1. 高效部分功率传输

转换器仅传输储能单元与母线之间“电压差值对应的部分功率”，而非全部功率，因此能量损耗显著降低。当储能单元电压与母线电压接近时，传输功率趋近于零，效率接近100%；即使在电压差值较大的场景下，由于采用宽禁带半导体材料和高开关频率设计，效率仍可维持在95%以上，远高于传统转换器(≤90%)。高效特性减少了能源浪费，提升了飞机的续航能力。

2. 轻量化与小型化

部分功率传输机制使转换器的功率等级无需匹配储能单元的额定功率，被动元件(变压器、电感)的体积和质量可降低30%-50%；同时，高开关频率设计进一步减小了磁性元件的尺寸，结合平面式变压器和SiC/GaN晶体管的应用，转换器整体质量和体积显著减小，符合航空系统轻量化要求。例如，对于500kW的储能单元，传统转换器质量约为20kg，而本方案转换器质量可控制在10kg以内。

3. 灵活的电压适配与控制

转换器实现了储能单元与母线的电压解耦，两者可维持不同的电压水平，适配不同类型的储能单元(如电池电压200V，母线电压400V)；整流器的四象限运行能力支持双向功率流，既可为储能单元充电，也可实现储能单元放电，满足瞬态功率补充和能量回收需求；电流源的精确控制使储能单元SOC独立于母线电压，可根据飞行阶段(起飞、巡航、降落)动态调节，提升系统稳定性。

4. 高可靠性与冗余设计

变压器的 galvanic 隔离功能避免了母线侧故障对储能单元的冲击；整流器的二极管保护和RC滤波设计提升了器件抗干扰能力；可选配的接触器实现了储能单元与母线的直接连接，当转换器故障时可快速切换，确保系统持续工作。此外，多储能单元并联时，每个单元可配置独立的转换器，各单元互不干扰，便于系统扩展和维护。

5. 兼容多类型储能单元

转换器支持电解型(超级电容)和电化学型(电池)储能单元，通过调节电流源参数和开关频率，可适配不同储能单元的充放电特性：超级电容需承受大电流快充快放，转换器可通过增大电流源电感器值，提升瞬态电流承载能力；电池需平稳充放电以避免过充过放，转换器可通过精确控制电流源电流，维持充放电电流在安全范围内。这种兼容性使系统可根据飞行需求灵活配置储能单元，提升系统设计自由度。

本方案适用于重量小于5吨、机载机械功率50-2000kW的VTOL或CTOL飞机，尤其适合多旋翼无人机、轻型直升机和小型通勤飞机等对轻量化、高可靠性要求严苛的场景。例如，在VTOL飞机起飞阶段，储能单元通过转换器向母线输出瞬态大功率，辅助热电源驱动电动机，提升起飞推力；在巡航阶段，热电源为负载供电，同时通过转换器为储能单元充电；在降落阶段，电动机回收制动能量，经转换器存储至储能单元，实现能量回收利用。

本文提出的新型DC-DC转换器通过“逆变器+双次级变压器+四象限整流器+电流源”的创新拓扑结构，实现了部分功率传输、双向功率流和高精度控制，有效解决了传统技术中效率低、体积大、控制灵活差的痛点。该转换器不仅满足航空电气推进系统对轻量化、高可靠性和长续航的核心要求，还具备兼容多类型储能单元、支持系统扩展的优势，为航空电气推进技术的发展提供了重要的技术支撑。随着宽禁带半导体材料和先进调制策略的进一步发展，该方案的性能将持续优化，有望在更多航空场景中得到广泛应用，推动航空运输向高效、低碳、可靠的方向转型。