[发明专利]用于基于GaN基电源装置的电池充电器的系统架构

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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115V AC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32V DC之间。例如，将三相115V AC电源转换成28V DC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32V DC)或更新的高压(200和320V DC)电池)充电时使用任意标准飞飞行器输入电压电源(115V AC、恒定频率或230V AC、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。

发明内容

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230V AC、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。