用于基于GaN基电源装置的电池充电器的系统架构制造方法及图纸

本申请涉及用于基于GaN基电源装置的电池充电器的系统架构。该系统在其输入处使用功率因子修正的控制且在其输出处使用恒定电流/恒定电压调节，来利用用于电源转换的有功电子电路。具体地，提出了一种通用GaN基电池充电器架构，其用于使用三相230V变频或三相115V恒定频率AC输入电源二者之一，对低压电池或高压电池二者之一充电，同时满足严格的电力质量和电磁干扰航空航天要求。

System architecture for battery charger based on GaN based power supply unit

This application relates to the system architecture of a battery charger for GaN based power supplies. The system uses the power factor correction control at its input and uses a constant current / constant voltage adjustment at its output to utilize active electronic circuits for power conversion. Specifically, we propose a general framework of GaN based battery charger, one of its use for three-phase 230V inverter or three-phase 115V constant frequency AC input power two, charging the battery or battery voltage low of two, while meeting strict power quality and electromagnetic interference aerospace requirements.

【技术实现步骤摘要】
用于基于GaN基电源装置的电池充电器的系统架构
本公开总体涉及用于电池的充电装置，具体地涉及用于飞机(airplane)上的电池的充电装置。
技术介绍
商用飞机使用不同技术的电池和对应的电池充电器。各充电器采用对应于特定电池技术的充电算法和适合特定输入电源的电源转换架构。过去，在商用航空中，输入电源总是115VAC和恒定的400Hz频率，而取决于所用的低压电池技术充电器电池输出总是在24VDC与32VDC之间。例如，将三相115VAC电源转换成28VDC电源的传统充电器以在87％至89％的范围内的电源转换效率来使用。充电器输出电压的不重要变化和用于输入电源的单个标准允许再用传统充电器设计，微调充电逻辑，以满足特定电池技术。近来航空航天工业在减少燃料燃烧和CO2排放、减轻重量以及提高总效率的趋势，已经导致新的更高电压输入电源的引入，该更高电压输入电源也变成变频(VF)电源。另外，电池技术的发展和将更高DC电压用于重量减轻的工业趋势，促进高压电池在许多应用(76V、270V、540V等)中的使用。工业的这些变化结合电力电子装置的大发展(例如，宽带间隙SiC和GaN基电源开关的商业可用性)，使得能够为了设计比传统充电器设计更轻且更高效的新通用充电器架构而重新考虑(revisit)传统电池充电器设计。另外，对于成本效率，该充电器必须能够在对不同电池(包括传统(24和32VDC)或更新的高压(200和320VDC)电池)充电时使用任意标准飞飞行器输入电压电源(115VAC、恒定频率或230VAC、变频)。鉴于变频电源、更高电压以及不同电池技术引入更新的飞机架构中，有利的是，设计可以在所有常见电源系统架构中操作且可以对所有电池(传统的或高压的二者之一)充电的新通用电池充电器。
技术实现思路
下面详细公开的主题致力于，用于采用氮化镓基晶体管(下文中“GaN基电源开关”)的电池充电器的轻且高效系统架构。所提出的系统在其输入处使用功率因子修正的控制，且在其输出处使用恒定电流/恒定电压调节，来利用用于电源转换的有功电子电路。具体地，本公开提出了一种通用GaN基电池充电器架构，其用于从三相230V变频或三相115V400Hz恒定频率AC输入电源二者之一对低压电池或高压电池二者之一充电，同时满足严格的电力质量和电磁干扰(EMI)航空航天要求。这里所公开的通用电池充电器可以在所有常见飞机电源系统架构中操作，并且可以对所有电池(传统的或高压的二者之一)充电。另外，这里所公开的新充电器采用宽带间隙GaN基电源开关，该电源开关具有高频切换能力，这允许减小滤波器和变压器的尺寸并减轻滤波器和变压器的重量。这里所提出的解决方案提供了提高的功能，减轻了电池充电器的重量，减小了电池充电器的尺寸，具有由于使用GaN基电源开关而产生的提高的效率，并且借助于能够将单个常见零件用于不同的飞机电池架构而节省成本。更具体地，这里所提出的电池充电器在与传统电源系统架构和传统电池可兼容的同时，通过使用更先进的电源系统架构(诸如三相230VAC、VF输入电源以及高压电池)来使得能够减轻重量并减小尺寸。所提出的电池充电器还借助于使用GaN基电源装置而将电源转换效率提高到95％至96％。GaN基电源开关的另外优点是，它们可以以比传统Si装置更高的频率切换，这使得对于用于充电器的输入和输出EMI滤波器的磁性材料能够显著节省重量。下面详细公开的主题的一个方面是一种电池充电器，该电池充电器包括：第一DC链路导体和第二DC链路导体；AC至DC整流器，所述AC至DC整流器连接至所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体，并且被配置为将AC电压转换成跨所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体的DC链路电压；DC至DC转换器，所述DC至DC转换器包括：第一对输出端子和第二对输出端子；第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子和所述第二输入端子连接到所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体；第一开关，所述第一开关连接到所述第一对输出端子中的一个；以及第二开关，所述第二开关连接到所述第二对输出端子中的一个，其中，所述DC至DC转换器被配置为，当所述第一开关闭合且所述第二开关断开时，根据所述DC链路电压来输出用于对连接到所述第一对输出端子的低压电池进行充电的DC电流，并且所述DC至DC转换器还被配置为，当所述第一开关断开且所述第二开关闭合时，根据所述DC链路电压来输出用于对连接到所述第二对输出端子的高压电池进行充电的DC电流。在所公开的实施方式中，所述DC至DC转换器还被配置为，当所述第一开关闭合且所述第二开关断开时在谐振转换器模式下操作，并且当所述第一开关断开且所述第二开关闭合时在降压转换器(buckconverter)模式下操作。所述AC至DC整流器包括Vienna式升压整流器。优选地，所述AC至DC整流器和所述DC至DC转换器这两者包括多个氮化镓基晶体管。另一方面是一种电池充电器，该电池充电器包括：第一DC链路导体和第二DC链路导体；Vienna式升压整流器，所述Vienna式升压整流器连接至所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体，并且被配置为将AC电压转换成跨所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体的DC链路电压；DC至DC转换器，所述DC至DC转换器包括：第一对输出端子和第二对输出端子；第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子和所述第二输入端子连接到所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体；第一开关，所述第一开关连接到所述第一对输出端子中的一个；以及第二开关，所述第二开关连接到所述第二对输出端子中的一个，其中，所述DC至DC转换器在所述第一开关闭合且所述第二开关断开时，能够在谐振转换器模式下操作，并且所述DC至DC转换器在所述第一开关断开且所述第二开关闭合时，能够在降压转换器模式下操作。下面详细公开的主题的另外方面是一种DC至DC转换器，所述DC至DC转换器包括：第一对输出端子；第一输入端子和第二输入端子；第一开关，所述第一开关连接至所述第一对输出端子中的一个；多个电源开关，所述多个电源开关跨第一输入端子和第二输入端子串联连接；第一接头，所述第一接头由各电导体连接至串联连接的电源开关中的至少一个，连接到第二输入端子，并且连接到第一对输出端子中的一个；第二接头，所述第二节头沿着连接电源开关中的两个的电导体布置；串联件，所述串联件联接第一接头和第二接头，串联件包括电感器、变压器的初级绕组和第一电容器；第三接头，所述第三接头由各电导体连接至第一电容器、第一开关以及变压器的初级绕组；以及第二电容器，所述第二电容器将第一对输出端子中的第一输出端子联接至第一对输出端子中的第二输出端子，其中，第一开关布置在第三接头与第一对输出端子中的第二输出端子之间，并且所述DC至DC转换器被配置为在第一开关闭合时在降压转换器模式下操作。在下面公开的实施方式中，所述DC至DC转换器还包括：第二对输出端子；第四接头；第二开关，所述第二开关布置在所述第四接头与第二对输出端子中的第一输出端子之间；串联连接的变压器的第一次级绕组和第二次级绕组；第一晶体管，所述第一晶体管布置在所述第一次级绕组与所述第四接头之间；以及第二晶体管，所述第二晶体管布置在所述第二次级绕组与所述第四接头之间，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池充电器，所述电池充电器包括：第一DC链路导体和第二DC链路导体；AC至DC整流器，所述AC至DC整流器连接至所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体，并且被配置为将AC电压转换成跨所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体的DC链路电压；以及DC至DC转换器，所述DC至DC转换器包括：第一对输出端子和第二对输出端子；第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子和所述第二输入端子连接到所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体；第一开关，所述第一开关连接到所述第一对输出端子中的一个；以及第二开关，所述第二开关连接到所述第二对输出端子中的一个，其中，所述DC至DC转换器被配置为，当所述第一开关闭合且所述第二开关断开时，根据所述DC链路电压来输出用于对连接到所述第一对输出端子的低压电池进行充电的DC电流，并且所述DC至DC转换器还被配置为，当所述第一开关断开且所述第二开关闭合时，根据所述DC链路电压来输出用于对连接到所述第二对输出端子的高压电池进行充电的DC电流。

【技术特征摘要】
2016.03.28 US 15/082,8101.一种电池充电器，所述电池充电器包括：第一DC链路导体和第二DC链路导体；AC至DC整流器，所述AC至DC整流器连接至所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体，并且被配置为将AC电压转换成跨所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体的DC链路电压；以及DC至DC转换器，所述DC至DC转换器包括：第一对输出端子和第二对输出端子；第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子和所述第二输入端子连接到所述第一DC链路导体和所述第二DC链路导体；第一开关，所述第一开关连接到所述第一对输出端子中的一个；以及第二开关，所述第二开关连接到所述第二对输出端子中的一个，其中，所述DC至DC转换器被配置为，当所述第一开关闭合且所述第二开关断开时，根据所述DC链路电压来输出用于对连接到所述第一对输出端子的低压电池进行充电的DC电流，并且所述DC至DC转换器还被配置为，当所述第一开关断开且所述第二开关闭合时，根据所述DC链路电压来输出用于对连接到所述第二对输出端子的高压电池进行充电的DC电流。2.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述DC至DC转换器还被配置为，当所述第一开关闭合且所述第二开关断开时在谐振转换器模式下操作，并且当所述第一开关断开且所述第二开关闭合时在降压转换器模式下操作。3.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述DC至DC转换器还包括多个电源开关，所述多个电源开关跨所述第一输入端子和所述第二输入端子串联连接，进一步地，其中，所述多个电源开关是氮化镓基晶体管。4.根据权利要求3所述的电池充电器，其中，所述多个电源开关包括第一电源开关、第二电源开关、第三电源开关和第四电源开关，所述第二对输出端子中的另一个连接到所述第二输入端子，并且所述DC至DC转换器还包括：电感器，所述电感器连接到所述第二电源开关和所述第三电源开关之间的中点；变压器，所述变压器包括初级绕组和第一次级绕组，所述初级绕组将所述电感器连接到所述第二开关；以及第一电容器，所述第一电容器将所述初级绕组联接到所述第四电源开关。5.根据权利要求4所述的电池充电器，其中，所述变压器还包括第二次级绕组，所述第二次级绕组串联连接到所述第一次级绕组，并且所述第一对输出端子中的另一个连接到所述第一次级绕组与所述第二次级绕组之间的中点。6.根据权利要求5所述的电池充电器，其中，所述DC至DC转换器还包括：第一接头，当所述第一开关闭合时所述第一接头连接到所述第一对输出端子中的所述一个；第三开关，所述第三开关在闭合时将所述第一接头连接到所述第一次级绕组；以及第四开关，所述第四开关在闭合时将所述第一接头连接到所述第二次级绕组。7.根据权利要求6所述的电池充电器，其中，第三开关和第四开关是MOSFET晶体管。8.根据权利要求6所述的电池充电器，其中，所述DC至DC转换器还包括：第二接头，所述第二接头布置在所述第一对输出端子中的所述一个与所述第一开关之间；第三接头，所述第三接头布置在所述第一对输出端子中的另一个与所述第一次级绕组和所述第二次级绕组之间的中点之间；以及第二电容器，所述第二电容器布置在所述第二接头与所述第三接头之间。9.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述AC至DC整流器包括Vienna式升压整流器。10.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·V·索洛多夫尼克，K·J·卡里米，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US