Системная архитектура зарядного устройства для аккумуляторов на базе устройств питания на основе нитрида галлия Российский патент 2020 года по МПК H02J7/06 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к зарядным устройствам для аккумуляторов, а в частности, к зарядным устройствам для аккумуляторов, используемым на самолетах.

В коммерческих самолетах используют аккумуляторы, выполненные по различным технологиям, и соответствующие зарядные устройства для аккумуляторов. В каждом зарядном устройстве применяется алгоритм заряда, который соответствует определенной технологии аккумулятора и архитектуре преобразования мощности, которая подходит определенному входному питанию. В прошлом в коммерческой авиации входное питание всегда составляло 115 В переменного тока (АС) с постоянной частотой 400 Гц, при том что выходное питание заряда аккумулятора всегда составляло от 24 и до 32 В постоянного тока (DC) в зависимости от используемой технологии аккумулятора низкого напряжения. Например, обычные зарядные устройства, преобразующие питание трехфазного переменного тока напряжением 115 В в питание постоянного тока напряжением 28 В, имели эффективность преобразования энергии в диапазоне от 87 до 89%. Незначительное изменение напряжения на выходе зарядного устройства и единый стандарт для входного питания обеспечивало возможность повторного использования устаревших конструкций зарядных устройств с небольшой регулировкой алгоритма заряда для соответствия определенной технологии аккумулятора.

Недавние тенденции в аэрокосмической промышленности, заключающиеся в сокращении расхода топлива, выбросов СО₂ и веса, а также в повышении общей эффективности, привели к введению нового входного питания с более высоким напряжением, которое также стало питанием с переменной частотой (VF). Кроме того, усовершенствования в технологии аккумуляторов и промышленные тенденции к использованию постоянного тока более высокого напряжения для снижения веса привели к использованию высоковольтных аккумуляторов во многих областях применения (76 В, 270 В, 540 В и т.д.). Данные изменения в промышленности в совокупности с большими усовершенствованиями электронных устройств питания (например, коммерческая доступность силовых переключателей на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) с широкой запрещенной зоной), обеспечили возможность пересмотра обычных конструкций зарядных устройств аккумуляторов для создания новой универсальной архитектуры зарядного устройства, которое будет легче и более эффективным по сравнению с обычными конструкциями зарядных устройств. Кроме того, в целях экономической эффективности, данное зарядное устройство должно иметь возможность использования любого стандартного входного напряжения питания (115 В переменного тока с постоянной частотой или 230 В переменного тока с переменной частотой) при заряде различных аккумуляторов, включая как обычные (24 и 32 В постоянного тока), так и более новые высоковольтные аккумуляторы (200 и 320 В постоянного тока).

Вследствие введения питания с переменной частотой, более высоких напряжений и различных технологий аккумуляторов в архитектурах современных самолетов, преимуществом является создание нового универсального зарядного устройства для аккумуляторов, которое может работать во всех обычных архитектурах систем питания и может заряжать все аккумуляторы, как обычные, так и высокого напряжения.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Приведенное ниже подробное раскрытие изобретения направлено на создание легкой и эффективной системной архитектуры зарядного устройства для аккумуляторов, в которой использованы транзисторы на основе нитрида галлия (далее "силовые переключатели на основе нитрида галлия"). Предложенная система обладает преимуществами активных электронных схем питания для преобразования мощности, использования управляющих устройств для корректировки коэффициента мощности на ее входе и регулировки постоянного тока/постоянного напряжения на ее выходе. В частности, в настоящем раскрытии изобретения предложена универсальная архитектура зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия для заряда как аккумуляторов низкого напряжения, так и высокого напряжения как от входного питания трехфазного переменного тока (АС) 230 В с переменной частотой, так и трехфазного переменного тока 115 В с постоянной частотой 400 Гц, при соответствии строгим требованиям к качеству энергии и электромагнитным помехам (ЭМП) в аэрокосмической отрасли.

Универсальное зарядное устройство для аккумуляторов, раскрытое в настоящем документе, может работать во всех обычных архитектурах систем питания самолетов и может заряжать все аккумуляторы, как обычные, так и высокого напряжения. Кроме того, в новом зарядном устройстве, раскрытом в настоящем документе, использованы силовые переключатели на основе нитрида галлия с широкой запрещенной зоной, которые выполнены с высокочастотной переключающей способностью, что позволяет уменьшить размер и вес фильтров и трансформаторов.

Решение, предложенное в настоящем документе, обеспечивает улучшенную функциональность, уменьшает вес и размер зарядного устройства для аккумуляторов, имеет улучшенную эффективность вследствие использования силовых переключателей на основе нитрида галлия, а также снижает затраты благодаря возможности использования одной общей детали для различных архитектур аккумуляторов самолета. В частности, предложенное в настоящем документе зарядное устройство для аккумуляторов обеспечивает снижение веса и размера посредством использования усовершенствованных архитектур систем питания, таких как трехфазный переменный ток 230 В, входное питание с переменной частотой и высоковольтные аккумуляторы, при этом оставаясь совместимой с обычными архитектурами систем питания и обычными аккумуляторами. Предложенное зарядное устройство также улучшает эффективность преобразования мощности до 95-96% благодаря использованию устройств питания на основе нитрида галлия. Кроме того, преимуществом силовых переключателей на основе нитрида галлия является то, что они могут переключаться на значительно больших частотах, чем обычные кремниевые устройства, что обеспечивает значительную экономию в весе для магнитных устройств, используемых во входных и выходных фильтрах ЭМП зарядного устройства.

Один аспект изобретения, подробно описанного ниже, представляет собой зарядное устройство для аккумуляторов, содержащее: первый и второй проводники линии постоянного тока; выпрямитель переменного тока в постоянный ток, соединенный с первым и вторым проводниками линии постоянного тока и выполненный с возможностью преобразования напряжений переменного тока в напряжение линии постоянного тока на первом и втором проводниках линии постоянного тока; и преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий первую и вторую пары выходных клемм, первую и вторую входные клеммы, соединенные с первым и вторым проводниками линии постоянного тока, первый переключатель, соединенный с одной из первой пары выходных клемм, и второй переключатель, соединенный с одной из второй пары выходных клемм, причем преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью выдачи постоянного тока для заряда аккумулятора низкого напряжения, соединенного с первой парой выходных клемм, в зависимости от от напряжения линии постоянного тока, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и также выполнен с возможностью выдачи постоянного тока для заряда высоковольтного аккумулятора, соединенного со второй парой выходных клемм, в зависимости от от напряжения линии постоянного тока, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут. В раскрытых вариантах реализации преобразователь постоянного тока в постоянный ток также выполнен с возможностью работы в резонансном режиме преобразователя, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и с возможностью работы в понижающем режиме преобразователя, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут. Выпрямитель переменного тока в постоянный ток содержит повышающий выпрямитель типа Виенна (Vienna). Предпочтительно, выпрямитель переменного тока в постоянный ток и преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержат множество транзисторов на основе нитрида галлия.

Другой аспект изобретения представляет собой зарядное устройство для аккумуляторов, содержащее: первый и второй проводники линии постоянного тока; повышающий выпрямитель типа Виенна, соединенный с первым и вторым проводниками линии постоянного тока и выполненный с возможностью преобразования напряжений переменного тока в напряжение линии постоянного тока на первом и втором проводниках линии постоянного тока; преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий первую и вторую пары выходных клемм, первую и вторую входные клеммы, соединенные с первым и вторым проводниками линии постоянного тока, первый переключатель, соединенный с одной из первой пары выходных клемм, и второй переключатель, соединенный с одной из второй пары выходных клемм, причем преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью работы в резонансном режиме преобразователя, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и с возможностью работы в понижающем режиме преобразователя, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут.

Другой аспект изобретения, подробно описанного ниже, представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий: первую пару выходных клемм; первую и вторую входные клеммы; первый переключатель, соединенный с одной из первой пары выходных клемм; множество силовых переключателей, соединенных последовательно между первой и второй входными клеммами; первый узел соединения, соединенный соответствующими электрическими проводниками с последним из соединенных последовательно силовых переключателей, со второй входной клеммой и с одной из первой пары выходных клемм; второй узел соединения, расположенный вдоль электрического проводника, соединяющего два силовых переключателя; последовательное соединение, соединяющее первый и второй узлы соединения, которое содержит катушку индуктивности, первичную обмотку трансформатора и первый конденсатор; третий узел соединения, соединенный соответствующими электрическими проводниками с первым конденсатором, первым переключателем и первичной обмоткой трансформатора; и второй конденсатор, который соединяет первую выходную клемму первой пары выходных клемм со второй выходной клеммой первой пары выходных клемм, причем первый переключатель расположен между третьим узлом соединения и второй выходной клеммой первой пары выходных клемм, а преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью работы в понижающем режиме преобразователя, когда первый переключатель замкнут. В описанных ниже вариантах реализации преобразователь постоянного тока в постоянный ток также содержит: вторую пару выходных клемм; четвертый узел соединения; второй переключатель, расположенный между четвертым узлом соединения и первой выходной клеммой второй пары выходных клемм; первую и вторую вторичные обмотки трансформатора, соединенный последовательно; первый транзистор, расположенный между первой вторичной обмоткой и четвертым узлом соединения; и второй транзистор, расположенный между второй вторичной обмоткой и четвертым узлом соединения, причем преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью работы в резонансном режиме преобразователя, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут.

Другие аспекты зарядного устройства для аккумуляторов, подходящего для заряда различных типов аккумуляторов самолета, раскрыты ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показана блок-схема, изображающая основные компоненты универсального зарядного устройства для аккумуляторов, в соответствии с одной архитектурой;

на фиг. 2 показана принципиальная схема, изображающая топологию схемы универсального зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия, в соответствии с одним вариантом реализации;

на фиг. 3 показана принципиальная схема, изображающая состояние топологии схемы универсального зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия, показанной на фиг. 2, когда зарядное устройство для аккумуляторов используют для заряда обычных аккумуляторов с постоянным током напряжением 28 В;

на фиг. 4 показана принципиальная схема, изображающая состояние топологии схемы универсального зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия, показанной на фиг. 2, когда зарядное устройство для аккумуляторов используют для заряда высоковольтных аккумуляторов с постоянным током напряжением 270 В;

на фиг. 5 показана гибридная схема, изображающая части топологии схемы универсального зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия, показанной на фиг. 2, и блоки, отражающие управляющую архитектуру для управления указанной схемой зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия, в соответствии с одним вариантом реализации;

на фиг. 6 показана блок схема, изображающая этапы процесса преобразования питания трехфазного переменного тока в постоянный ток для заряда аккумулятора с использованием топологии схемы зарядного устройства для аккумуляторов и управляющей архитектуры, как показано на фиг. 5.

Далее будут приведены ссылки на чертежи, на которых одинаковые элементы на различных чертежах имеют одни и те же ссылочные обозначения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстративные варианты реализации зарядной системы для аккумуляторов описаны более подробно далее. Однако, не все особенности фактического осуществления описаны в материалах данной заявки. Специалисту в данной области техники будет понятно, что при разработке любого такого фактического варианта реализации множество конкретных решений должны быть выполнены для достижения определенных целей разработчика, таких как соответствие требованиям, относящимся к системе, и экономическими требованиям, которые будут отличаться при переходе от одного варианта осуществления к другому. Более того, будет понятно, что такие проектно-конструкторские работы могут быть сложными и длительными, но тем не менее могут представлять собой обычные процедуры для специалистов в данной области техники, имеющих преимущество от данного изобретения.

В настоящем раскрытии предложена системная архитектура для универсального зарядного устройства для аккумуляторов, подходящего для применения в аэрокосмической отрасли. Предложенное зарядное устройство для аккумуляторов обладает преимуществом активных электронных схем питания и управляющих устройств для активной регулировки напряжения и тока на выходе зарядного устройства, с достижением точной регулировки напряжения и тока для соответствия требованиям к заряду аккумуляторов. Предложенное универсальное зарядное устройства для аккумуляторов может быть использовано с обычными аккумуляторами постоянного тока (DC) с напряжением 24 В и 32 В или с высоковольтными аккумуляторами постоянного тока с напряжением от 200 В до 320 В. Зарядное устройство может быть также использовано в обычных самолетах, в которых входным питанием для зарядного устройства является питание трехфазного переменного тока (АС) напряжением 115 В с постоянной частотой 400 Гц или в архитектуре аккумуляторов самолетов, в которых входным питанием для зарядного устройства является питание трехфазного переменного тока напряжением от 220 В до 260 В с переменной частотой (от 360 Гц до 800 Гц). Такое многообразие придает унифицированность использования среди множества типов самолетов и позволяет снизить стоимость. Зарядное устройство использует устройства питания на основе нитрида галлия, которые могут работать очень эффективно с высокой частотой переключения, что позволяет уменьшить размер и вес фильтров ЭМП. Предложенное зарядное устройство для аккумуляторов соответствует всем требованиям в аэрокосмической отрасли, включая требования к качеству питания и ЭМП.

Архитектура, предложенная данным изобретением, использует подход с двухступенчатым питанием, включающий активную входную часть и преобразователь постоянного тока в постоянный ток, что обеспечивает широкие диапазоны входного и выходного напряжения и соответствует жестким требованиям эффективности. Более конкретно, предложенная топология с двухступенчатым питанием может быть осуществлена в виде трехуровневого повышающего выпрямителя типа Виенна переменного тока в постоянный ток, располагающегося каскадом с трехуровневым преобразователем постоянного тока в постоянный ток. Кроме того, предложена управляющая схема. В соответствии с данной управляющей схемой, ступень питания входной части используется для управления зарядным током посредством управления напряжения линии постоянного тока. Целью является изменение напряжения линии постоянного тока в зависимости от нагрузки на аккумулятор.

Основной функцией преобразователя постоянного тока в постоянный ток является преобразование уровней напряжения и тока постоянного тока, в идеальном случае со 100% эффективностью. Данная функция может быть реализована в модели идеальным трансформатором постоянного тока. Модель трансформатора постоянного тока имеет коэффициент эффективных витков, равный коэффициенту преобразования напряжения покоя. Она подчиняется всем обычным свойствам трансформаторов, за исключением того, что она может пропускать напряжения и токи постоянного тока. Таким образом, преобразователь постоянного тока в постоянный ток, раскрытый в настоящем описании, действует как трансформатор постоянного тока, работающий в оптимальном рабочем режиме. Усиление напряжения преобразователя постоянного тока в постоянный ток можно регулировать для поддержания напряжения линии постоянного тока выше минимального порогового значения при заданных перепадах напряжения аккумулятора. Трехуровневый преобразователь постоянного тока в постоянный ток модулирован эквивалентной двойной частотой, что позволяет достичь более низких потерь при переключении и более низких пассивного объема и веса. Термин "эквивалентная двойная частота" означает, что каждое отдельное устройство питания работает на одной определенной частоте переключения (например, 1 МГц), но трансформатор, с которым соединены все переключатели, имеет частоту, в два раза большую, чем рабочая частота переключения каждого отдельного устройства питания (например, 2 МГц). Таким образом, вследствие более высокой эквивалентной частоты трансформатора, он может быть выполнен меньшим, в то время как каждое отдельное устройство питания не должно обязательно работать на очень высокой частоте.

В целом архитектура универсального зарядного устройства 10 для аккумуляторов, имеющего описанную выше топологию с двухступенчатым питанием, показана на фиг. 1. Зарядное устройство 10 аккумуляторов содержит: три входные клеммы, которые принимают соответствующий переменный ток А, В и С с одинаковой частотой и амплитудой напряжения по сравнению с исходным значением, но со сдвигом по фазе на треть периода; входной фильтр 12, который фильтрует переменные токи А, В и С и выдает на выходе переменные токи a, b и с, которые способствуют соответствию с требованиями по качеству питания и ЭМП; трехуровневый повышающий выпрямитель 14 переменного тока в постоянный ток типа Виенна (далее "повышающий выпрямитель 14 типа Виенна"), который обеспечивает то, что коэффициент мощности зарядного устройства для аккумуляторов близок к единице; линия 16 постоянного тока; и трехуровневый преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток, который регулирует зарядное напряжение и зарядный ток для аккумулятора 20. (Регулируемое выходное напряжение и зарядный ток соответственно представлены параметрами V_out и I_bat на фиг. 6, описанной ниже.) Температуру повышающего выпрямителя 14 типа Виенна поддерживают на необходимом уровне, частично вследствие отведения тепла в теплопоглощающее устройство 22. Аналогичным образом, температуру преобразователя 18 постоянного тока в постоянный ток поддерживают на необходимом уровне, частично вследствие отведения тепла в теплопоглощающее устройство 24.

Конструкция и работа повышающего выпрямителя типа Виенна хорошо известны. Выпрямитель Виенна представляет собой однонаправленный трехфазный трехуровневый выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и с тремя переключателями. Он может быть рассмотрен как трехфазный диодный мост с интегрированным повышающим преобразователем, имеющим коэффициент мощности, равный единице, который работает как переходные средства с целью обеспечения высокой энергетической эффективности посредством уменьшения потребления реактивной мощности и гармоники тока питания, а также для поддержания постоянного напряжения шины постоянного тока (далее по тексту "напряжение линии постоянного тока").

Топология схемы зарядного устройства для аккумуляторов, в соответствии с одним вариантом реализации, имеющего архитектуру, показанную на фиг. 1, показана более детально на фиг. 2. Схема, показанная на фиг. 2, предназначена для обеспечения минимального веса и максимальной эффективности. Входная часть зарядного устройства для аккумуляторов, показанного на фиг. 2, представляет собой повышающий выпрямитель 14 типа Виенна, содержащий три входных катушки 42 индуктивности, шесть диодов 44, сеть 40 переключателей, состоящая из трех пар силовых переключателей на основе нитрида галлия, два конденсатора 46 и 48, соединенные как показано на фиг. 2. Выходная часть содержит преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток. Входные клеммы 32 и 34 преобразователя 18 постоянного тока в постоянный ток соответственно соединены с проводниками 30а и 30b линии постоянного тока, которые образуют линию 16 постоянного тока, показанную на фиг. 1.

Как показано на фиг. 2, проводник 30а линии постоянного тока соединяет входную клемму 32 преобразователя 18 постоянного тока в постоянный ток с узлом 26 соединения в повышающем выпрямителе 14 типа Виенна, а проводник 30b линии постоянного тока соединяет входную клемму 34 преобразователя 18 постоянного тока в постоянный ток с узлом 28 соединения в повышающем выпрямителе 14 типа Виенна. Клеммы конденсатора 46 соответственно соединены с узлом 26 соединения и с промежуточным узлом М, а клеммы конденсатора 48 соответственно соединены с узлом 28 соединения и с промежуточным узлом М.

В варианте реализации, показанном на фиг. 2, каждая входная катушка 42 индуктивности может быть выборочно соединена с промежуточным узлом М посредством соответствующей пары соединенных последовательно силовых переключателей на основе нитрида галлия сети 40 переключателей. Каждый электрический проводник, который соединяет соответствующую входную катушку 42 индуктивности с соответствующей парой силовых переключателей на основе нитрида галлия сети 40 переключателей, соединен с узлами 26 и 28 соединения посредством соответствующих диодов 44, как показано на фиг. 2. Данная трехуровневая топология уменьшает нагрузку напряжением на силовых переключателях на основе нитрида галлия сети 40 переключателей, обеспечивает уменьшение объема и размера входных катушек 42 индуктивности, создает меньше электромагнитных помех и обеспечивает эффективное выпрямление.

Как показано на фиг. 2, проводники 30а и 30b линии постоянного тока соединены с входными клеммами 32 и 34 преобразователя 18 постоянного тока в постоянный ток. Преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток содержит сеть 60 переключателей, состоящую из множества переключателей 60a-60d питания высокой мощности (к примеру, 600-650 В) на основе нитрида галлия, которые соединены последовательно, одна клемма силового переключателя 60а на основе нитрида галлия соединена с входной клеммой 32, а другая клемма силового переключателя 60d на основе нитрида галлия соединена с входной клеммой 34 посредством узла 82 соединения.

Преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток дополнительно содержит высокочастотный трансформатор 68, который обеспечивает изоляцию постоянного тока между входом и выходом преобразователя, когда преобразователь работает в резонансном режиме преобразователя (описан далее со ссылкой на фиг. 3). В варианте реализации, показанном на фиг. 2, трансформатор 68 содержит первичную обмотку и две вторичные обмотки, соединенные последовательно. Шунтирующая катушка 65 индуктивности соединена параллельно с первичной обмоткой. Одна клемма первичной обмотки высокочастотного трансформатора 68 присоединена к узлу соединения между силовыми переключателями 60b и 60c на основе нитрида галлия посредством катушки 64 индуктивности. Другая клемма первичной обмотки высокочастотного трансформатора 68 присоединена к узлу 82 соединения посредством узла 84 соединения и конденсатора 66, как показано на фиг. 2. Узлы 82 и 84 соединения также присоединены друг к другу посредством переключателя K₂ и конденсатора 86, когда переключатель K₂ замкнут. Пара выходных клемм 88 и 90 выполнены для соединения с аккумулятором высокого напряжения (к примеру, 270 В) (не показан на фиг. 2). Выходная клемма 88 расположена между узлом 82 соединения и конденсатором 86, а выходная клемма 90 расположена между конденсатором 86 и переключателем K₂.

Преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток также содержит пару выходных клемм 76 и 78 для соединения с аккумулятором низкого напряжения (к примеру, 28 В) (не показан на фиг. 2) и пару полевых МОП-транзисторов 70 и 72 (полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник), расположенных соответственно между узлом 74 соединения и противоположными клеммами вторичных обмоток, соединенных последовательно, высокочастотного трансформатора 68. Полевыми МОП-транзисторами 70 и 72 управляют таким образом, что они синхронно выпрямляют сигнал переменного тока на вторичных обмотках трансформатора 68. Переключатель K₁ расположен между узлом 74 соединения и выходной клеммой 76, а выходная клемма 78 соединена с узлом 92 соединения, расположенным между последовательно соединенными вторичными обмотками. Кроме того, преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток содержит конденсатор 80, одна клемма которого соединена с узлом 94 соединения, расположенным между переключателем K₁ и выходной клеммой 76, а другая клемма соединена с узлом 96 соединения, расположенным между узлом 92 соединения и выходной клеммой 78. Конденсатор 80 действует как фильтр низких частот.

Преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью реконфигурации через переключатели K₁ и K₂. Когда переключатель K₁ замкнут, а переключатель K₂ разомкнут, зарядное устройство выполнено с возможностью заряда обычных аккумуляторов. Более конкретно, преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток использует высокочастотный трансформатор 68 для преобразования напряжения линии постоянного тока (т.е. напряжение на входных клеммах 32 и 34) в регулируемое напряжение постоянного тока на выходных клеммах 76 и 78. И наоборот, когда переключатель K₁ разомкнут, а переключатель K₂ замкнут, зарядное устройство выполнено с возможностью заряда высоковольтных аккумуляторов. Более конкретно, преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток преобразует напряжение линии постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока на выходных клеммах 88 и 90 (высокочастотный трансформатор не используется в данной конфигурации). Например, преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью создания зарядного тока 50 А для заряда аккумулятора с напряжением 28 В, соединенного с выходными клеммами 76 и 78, когда переключатель K₁ замкнут, а переключатель K₂ разомкнут, или создания зарядного тока 5,5 А для зарядки аккумулятора с напряжением 270 В, соединенного с выходными клеммами 88 и 90, когда переключатель K₁ разомкнут, а переключатель K₂ замкнут.

На фиг. 3 показана принципиальная схема, изображающая зарядное устройство для аккумуляторов, когда оно выполнено с возможностью выдачи на выходе постоянного тока 28 В/50 А для заряда обычных аккумуляторов. В данной конфигурации (т.е. когда переключатель K₁ замкнут, а переключатель K₂ разомкнут), зарядное устройство работает как резонансный преобразователь 18а, который обеспечивает отключение при нулевом напряжении для уменьшения потерь устройства при переключении и улучшение эффективности преобразования. Отключение при нулевом напряжении также уменьшает ЭМП, так как каждый силовой переключатель 60a-60d переходит от состояния "включено" (ON) к состоянию "выключено" (OFF) или от состояния "выключено" (OFF) к состоянию "включено" (ON), когда напряжение на переключателе равно нулю. В конфигурации резонансного преобразователя высокочастотный трансформатор 68 является необходимым из-за большого соотношения напряжения на входе и на выходе. Высокочастотный трансформатор 68 предпочтительно имеет плоскую конструкцию (т.е. обмотки напечатаны на многослойной печатной плате (плате с печатной схемой) с сердечником на верхней части), которая уменьшает его габариты. Вторичная обмотка высокочастотного трансформатора 68 обеспечивает высокий выходной ток. Вследствие этого, две вторичных обмотки могут быть использованы для улучшения эффективности и обеспечения минимальных ограничений по нагреву. Сердечник трансформатора выбран для обеспечения минимальных потерь в сердечнике при высокой частоте переключений. На вторичных обмотках высокочастотного трансформатора 68 синхронное выпрямление использовано для дополнительного уменьшения потерь.

Резонансный преобразователь 18а постоянного тока в постоянный ток зависит от напряжения линии постоянного тока для его работы. Напряжение линии постоянного тока создается посредством повышающего выпрямителя 14 от трехфазной системы переменного тока. Таким образом, резонансный преобразователь 18а постоянного тока в постоянный ток зависит от трехфазного напряжения переменного тока.

В резонансных преобразователях резонансная схема последовательно соединенной катушки 64 индуктивности и конденсатора 66 используется для достижения выключения при нулевом напряжении устройств питания преобразователя. Потери питания при переключении (и соответствующие неэффективность и выработка тепла) получены, когда устройство питания переходит от состояния "включено" к состоянию "выключено" или наоборот. Однако, если во время перехода между состояниями "включено" и "выключено" напряжение на устройстве равно нулю, потери питания при переключении также равны нулю, так как мощность равна произведению напряжения и тока (P = V*I). Таким образом, если V = 0, то P = 0 и потери при переключении отсутствуют. Этого пытаются достичь во всех резонансных преобразователях. Однако, выключение при переключении представляет собой идеальную ситуацию. Фактически, оно не равно нулю (хотя значительно ниже, чем полное напряжение). Вследствие изменения нагрузки преобразователя, идеальный резонансный режим работы всегда будет смещаться, так что преобразователь почти никогда не будет работать в идеальном режиме работы. "Идеальная" работа резонансного преобразователя может быть расширена посредством использования меньшей индуктивности рассеивания в первичной обмотке трансформатора (посредством особых технологий обмотки). В результате, резонансный преобразователь большее количество времени работает в хорошем, почти идеальном резонансном состоянии.

Резонансный преобразователь 18а постоянного тока в постоянный ток содержит в общем четыре переключателя 60a-60d, соединенных с первичной стороной трансформатора 68. Причиной использования четырех переключателей является то, что напряжение линии постоянного тока является высоким и одно боковое устройство на основе нитрида галлия может не справиться с таким высоким напряжением. Таким образом, преобразователь 18а постоянного тока в постоянный ток содержит два последовательно соединенных устройства на основе нитрида галлия на ветвь, так что общее напряжение линии постоянного тока разделено между всеми данными устройствами. Следовательно, трехуровневая топология используется на первичной стороне. Когда устройства питания переключаются между уровнями с положительным напряжением и нулевым и между уровнями с нулевым и отрицательным напряжением, нагрузка напряжением на устройства снижается.

В соответствии с другой особенностью, резонансный преобразователь 18а постоянного тока в постоянный ток на вторичной стороне трансформатора 68 использует полевые МОП-транзисторы 70 и 72 для выполнения синхронного выпрямления. Такой подход имеет преимущество перед использованием диодов в том, что он более эффективен. Диоды имеют p-n переход (электронно-дырочный переход) и, в результате, они имеют фиксированный перепад напряжения, который приводит к потерям мощности в диоде. Полевой МОП-транзистор содержит канал. Данный канал не имеет фиксированного перепада напряжения, а действует как резистор, когда канал находится в режиме "включен". Таким образом, если увеличить количество соединенных параллельно полевых МОП-транзисторов, можно снизить сопротивление канала и уменьшить потери по сравнению с обычными диодами. По этой причине используется синхронное выпрямление. Однако, синхронное выпрямление требует активного управления устройствами с полевыми МОП-транзисторами, так что сложность управления выше по сравнению с использованием диодов.

На фиг. 4 показана принципиальная схема, изображающая зарядное устройство для аккумуляторов, когда оно выполнено с возможностью выдачи на выходе постоянного тока 270 В/5,5 А для заряда аккумуляторов высокого напряжения. В данной конфигурации (т.е. переключатель K₁ разомкнут, а переключатель K₂ замкнут), зарядное устройство работает как понижающий преобразователь 18b. Понижающий преобразователь представляет собой преобразователь с понижением напряжения и с повышением тока. Понижающий преобразователь 18b содержит сеть 60 переключателей, которой управляют с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для уменьшения постоянной составляющей напряжения, и фильтр низких частот (т.е. катушку 64 индуктивности и конденсатор 66), который удаляет высокочастотные гармоники переключения. В данном случае наличие высокочастотного трансформатора 68 не требуется, так как соотношение напряжения на входе и на выходе не является большим.

Понижающий преобразователь 18b выдает выходное напряжение V_out постоянного тока, величиной которого можно управлять при помощи коэффициента заполнения. Коэффициент M_buck преобразования, определенный как отношение выходного напряжения (т.е. V_out) постоянного тока к входному напряжению (т.е. V_dc) постоянного тока в стационарном режиме. Выходным напряжением V постоянного тока можно управлять посредством регулировки коэффициента заполнения. Так как выходное напряжение v(t) преобразователя зависит от коэффициента заполнения, может быть обеспечена схема управления, которая изменяет коэффициент заполнения для побуждения выходного напряжения следовать по заданному пути.

На фиг. 5 показана гибридная схема, изображающая части топологии схемы универсального зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия, показанной на фиг. 2, (переключатели K₁ и K₂ на показаны для уменьшения загруженности чертежа) и блоки, отражающие управляющую архитектуру для управления указанной схемой зарядного устройства для аккумуляторов, в соответствии с одним вариантом реализации. Принцип управления заключается в следующем.

Во время заряда аккумулятора управляющее устройство для управления постоянным напряжением (ПН)/неизменным током (НТ) аккумулятора выполнено с возможностью предотвращения избыточного заряда аккумулятора. Заряд происходит с периодичностью; зарядная система всегда соединена с аккумулятором на борту самолета. Постоянное напряжение представляет собой режим работы зарядного устройства, когда напряжение зарядного устройства поддерживается постоянным; неизменный ток представляет собой режим работы зарядного устройства, когда ток зарядного устройства поддерживается постоянным. Управляющее устройство 54 для управления ПН/НТ аккумулятора выдает опорное напряжение V_{dc_ref} постоянного тока управляющему устройству 52 для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием. Управляющее устройство 52 для управления равновесием поддерживает равновесие напряжения в промежуточном узле М (т.е. напряжения на верхнем и нижнем конденсаторах 46 и 48 поддерживаются на одном уровне). Опорное напряжение V_{dc_ref} постоянного тока изменяется в зависимости от требований по нагрузке. Управляющее устройство 52 для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием выдает опорный ток I_{d_ref} на управляющее устройство 50 для управления фазовым током, указанный опорный ток зависит от разницы между опорным напряжением V_{dc_ref} постоянного тока и напряжением V_dc линии постоянного тока на входных клеммах 32 и 34 преобразователя 18 постоянного тока в постоянный ток. Управляющее устройство 50 для управления фазовым током затем выдает широтно-импульсно модулированные (ШИМ) токи (показанные стрелками ШИМ на фиг. 5) на приводы затворов транзисторов (не показаны), соединенные с силовыми переключателями на основе нитрида галлия сети 40 переключателей для принуждения токов в трехфазной нагрузке переменного тока следовать за опорными сигналами. Посредством сравнения командных и измеренных мгновенных величин фазовых токов, управляющее устройство 50 для управления фазовым током вырабатывает состояния переключения для силовых переключателей на основе нитрида галлия сети 40 переключателей для управления напряжением V_dc линии постоянного тока. Кроме того, входная ступень регулирует входной ток зарядного устройства для осуществления корректировки коэффициента мощности.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) представляет собой модуляционную технологию, которую можно использовать для управления питанием, подаваемым к электрическим устройствам. Среднее значение напряжения (и тока), поданного к нагрузке, управляется поворотом переключателя между "включением" и "выключением" подачи и нагрузки с высокой скоростью. Чем дольше переключатель находится в режиме "замкнут" по сравнению с режимом "разомкнут", тем больше общее питание, поданное на нагрузку. Термин "коэффициент заполнения" описывает соотношение времени в режиме "замкнут" к постоянному интервалу или "периоду" времени; низкий коэффициент заполнения соответствует более низкому питанию, так как питание отключено большее количество времени. Основное преимущество ШИМ заключается в том, что потери питания в переключательных устройствах очень малы. Когда переключатель разомкнут, тока практически нет, а когда он замкнут и питание передается на нагрузку, практически нет перепада напряжения на переключателе. Потери питания, представляющего собой продукт напряжения и тока, таким образом в обоих случаях близки к нулю.

В соответствии с одним вариантом реализации двухступенчатого зарядного устройства для аккумуляторов, раскрытого в настоящем описании, используют пространственно-векторную широтно-импульсную модуляцию (ПВШИМ). Пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция представляет собой алгоритм управления ШИМ для выработки многофазного переменного тока, в котором регулярно измеряют опорный сигнал; после каждого измерения, выбирают ненулевой вектор активного переключения, смежный с опорным вектором, и один или более нулевых векторов переключения для соответствующего деления периода измерений для синтезирования опорного сигнала как среднего из использованных векторов.

Преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток работает в качестве трансформатора постоянного тока (DC) (DCX, где X относится к эквивалентной скорости переключения трансформатора постоянного тока (усиление по напряжению)). Состоянием сети 60 переключателей управляют управляющим устройством 56 для управления DCX, которое запрограммировано в режиме DCX вырабатывать регулируемый коэффициент преобразования напряжения, который обеспечивает работу трансформатора 68 в оптимальном режиме работы. Более конкретно, управляющее устройство 56 для управления DCX выдает ШИМ-токи (показанные стрелками ШИМ на фиг. 5) на приводы затворов транзисторов (не показаны), соединенные с переключателями 60a - 60d сети 60 переключателей.

Для осуществления зарядного устройства для аккумуляторов, раскрытого в настоящем описании, устройства на основе нитрида галлия с широкой запрещенной зоной использованы для максимизации преимуществ схемы и алгоритмов управления. Например, быстрое переключение силовых переключателей на основе нитрида галлия сети 40 переключателей обеспечивает уменьшение размера и веса входных катушек 42 индуктивности и фильтров 12 ЭМП (см. фиг. 1). Малые потери при переключении, связанные с устройствами питания на основе нитрида, обеспечивают высокую эффективность и высокую скорость переключений. Сеть 40 силовых переключателей на основе нитрида галлия использована в трехуровневой топологии схемы, которая обеспечивает возможность использования повышающей схемы, которая уменьшает уровень тока через входные катушки 42 индуктивности, и, таким образом, вес, размер и стоимость универсального зарядного устройства. Высокая скорость переключений силовых переключателей на основе нитрида галлия сети 40 переключателей также обеспечивает возможность использования активной технологии отмены гармоник в схемах высокой мощности.

На фиг. 6 показана блок схема, изображающая этапы процесса 100 преобразования питания трехфазного переменного тока в постоянный ток I_bat для заряда аккумулятора с использованием топологии схемы зарядного устройства для аккумуляторов и управляющей архитектуры, как показано на фиг. 5. Первый суммирующий блок 102 в управляющем устройстве 54 для управления ПН/НТ аккумулятора (см. фиг. 5) формирует сумму обратного тока I_bat постоянного тока заряда аккумулятора и опорный ток I_{cc_ref} заряда, указанную сумму вводят в пропорционально-интегральное управляющее устройство (ПИ) 104, которое преобразует значение тока в значение напряжения. Второй суммирующий блок 108 в управляющем устройстве 54 для управления ПН/НТ аккумулятора формирует сумму на выходе пропорционально-интегрального управляющего устройства 104 и входное напряжение 106 (V_forward) выпрямителя, которое подано далее на управляющее устройство 54 для управления ПН/НТ аккумулятора. На выходе второго суммирующего блока 108 выдается опорное напряжение V_{dc_ref} постоянного тока, которое служит в качестве опорного сигнала для напряжения V_dc постоянного тока на выходе повышающего выпрямителя типа Виенна.

Промежуточное напряжение постоянного тока является входным для управляющего устройства 52 для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием (см. фиг. 5), которое приводит в исполнение схему 110 управления линией постоянного тока для выдачи опорного напряжения V_{dc_ref} постоянного тока. Управляющее устройство 52 для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием содержит суммирующий блок 112, который формирует сумму опорного напряжения V_{dc_ref} постоянного тока и напряжения V_dc линии постоянного тока, указанную сумму вводят в пропорционально-интегральное управляющее устройство 114, которое преобразует значение напряжения в опорное значение I_{d_ref} тока, которое представляет опорный ток оси d повышающего выпрямителя 14 типа Виенна. Как можно увидеть на фиг. 5, опорное значение I_{d_ref} тока вводят в управляющее устройство 50 для управления фазовым током.

В данном узле может быть полезным объяснение термина "ось d" и соответствующей терминологии, использованной в настоящем описании. В области электротехники прямое квадратурное преобразование представляет собой математическое преобразование, которое поворачивает опорную систему координат трехфазной системы в попытке упростить анализ трехфазных схем. В случае равновесных трехфазных схем применение прямого квадратурного преобразования преобразует три величины переменного тока (таких как напряжения и токи) в две величины постоянного тока. Затем могут быть произведены упрощенные вычисления над этими величинами постоянного тока перед выполнением обратного преобразования для восстановления действительных результатов трехфазного переменного тока. Использование прямого квадратурного преобразования упрощает вычисления для управления трехфазным вводом в повышающий выпрямителя типа Виенна. Прямое квадратурное преобразование осуществляется как часть управляющего устройства 52 для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием, которое преобразует все обнаруженные переменные переменного тока в прямо-квадратурную область в режиме реального времени. Соответственно, на фиг. 6 d_d представляет собой коэффициент заполнения управляющего устройства оси d; d_q представляет собой коэффициент заполнения управляющего устройства оси q; I_d представляет собой ток по оси d; I_q представляет собой ток по оси q (в данном варианте реализации равный нулю); G_id(s) представляет собой переходную функцию, которая преобразует коэффициент заполнения ШИМ по оси d в ток по оси d; G_{v_id}(s) представляет собой переходную функцию, которая преобразует ток I_d по оси d в напряжение V_dc линии постоянного тока.

Компоненты управляющего устройства 50 для управления фазовым током, которое принимает значение I_{d_ref} опорного тока от управляющего устройства 52 для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием, будет описано далее со ссылкой на фиг. 6. Управляющее устройство 50 для управления фазовым током содержит суммирующий блок 116, который формирует сумму значения I_{d_ref} опорного тока и тока I_d по оси d, указанную сумму вводят в пропорционально-интегральное управляющее устройство 118, которое преобразует значение тока в коэффициент d_d заполнения. Блок 120 пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (ПВШИМ) выдает широтно-импульсно модулированный (ШИМ) ток на силовые переключатели на основе нитрида галлия сети 40 переключателей (см. фиг. 1) для принуждения нагрузки трехфазного переменного тока следовать за опорными сигналами. Более конкретно, блок 120 ПВШИМ принимает коэффициенты d_d и d_q заполнения и сигналы от синхронизированного по фазе контура (СФК) и создает коэффициент заполнения на выходе, который затем подают на переходную функцию G_id(s), которая, в свою очередь, создает ток I_d по оси d. В данном примере, значение тока I_q по оси q установлено равным нулю. Поэтому ветвь оси q (которая будет схожей с ветвью оси d) не показана на фиг. 6. Коэффициент заполнения d_q установлен равным нулю; ток I_q по оси q управляет коэффициентом мощности. Если I_q (или d_q) установлен равным нулю, то может быть достигнут коэффициент мощности, равный единице. Ток I_d по оси d затем преобразуют в напряжение V_dc линии постоянного тока при помощи переходной функции G_{v_id}(s). Посредством сравнения командных и измеренных мгновенных величин фазовых токов, управляющее устройство 50 для управления фазовым током вырабатывает состояния переключения для силовых переключателей на основе нитрида галлия сети 40 переключателей для управления напряжением V_dc линии постоянного тока. Напряжение V_dc линии постоянного тока используется схемой управления 126 DCX преобразователя 18 постоянного тока в постоянный ток.

Принцип работы указанного управляющего устройства заключается в следующем. Преобразователь 18 постоянного тока в постоянный ток работает при постоянном коэффициенте заполнения, т.е. он уменьшает входное напряжение V_dc линии постоянного тока до выходного напряжения V_out аккумулятора при помощи фиксированного коэффициента. Он никаким образом не управляет током I_bat аккумулятора, который, наоборот, зависит от режима 128 аккумулятора, который представляет переходную функцию режима с постоянным напряжением или режима с неизменным током. Ток заряда, необходимый для заряда аккумулятора, представляет собой I_{cc_ref}. Данным током управляют посредством управления напряжением V_dc линии постоянного тока. Чем ниже напряжение линии постоянного тока, тем ниже будет ток заряда аккумулятора. Таким образом, на основании необходимого тока заряда, вычисляют опорное напряжение V_{dc_ref} для линии постоянного тока, который затем сравнивают с действительным напряжением V_dc линии постоянного тока. Управляющее устройство регулирует напряжение линии постоянного тока на выходе повышающего выпрямителя типа Виенна, основываясь на требуемом токе заряда аккумулятора, и, в то же время, оно поддерживает коэффициент мощности, равный единице, на входе выпрямителя путем установки тока оси q равным нулю.

Схема управления в соответствии с одним вариантом реализации будет описана ниже в иллюстративных целях. Ограничения состоят в следующем: (а) постоянный ток на выходе: 28 В/50 А (диапазон: 20-33,6 В) и 270 В/5,5 А (диапазон: 180-302 В); (b) переменный ток на выходе: 115 В или 235 В фазового напряжения. Номинальные условия заключаются в следующем: (а) выпрямитель управляет изменчивым напряжением линии постоянного тока: нижний предел 606 В, верхний предел 800 В; и (b) преобразователь постоянного тока в постоянный ток работает как трансформатор постоянного тока с фиксированным коэффициентом M_resonant преобразования для резонансного режима с напряжением 28 В и коэффициентом M_buck для понижающего режима.

Для облегчения изменения в диапазоне 20 В - 33,6 В в резонансном режиме с напряжением 28 В, когда опорное напряжение V_{dc_ref} линии постоянного тока больше 606 В, M_resonant фиксирован в качестве номинального значения для поддержания максимальной эффективности в резонансном режиме. Если опорное напряжение V_{dc_ref} линии постоянного тока близко к 606 В, коэффициент M_resonant преобразования напряжения уменьшен для предотвращения падения напряжения V_dc линии постоянного тока. Частота отклоняется от резонансного значения. Потери при синхронном выпрямлении слегка увеличиваются.

Для облегчения изменения в диапазоне 180 В - 302 В в понижающем режиме с напряжением 270 В, когда опорное напряжение V_{dc_ref} линии постоянного тока больше 606 В, коэффициент M_buck фиксирован в качестве номинального значения для поддержания максимальной эффективности в понижающем режиме. Если опорное напряжение V_{dc_ref} линии постоянного тока близко к 606 В, коэффициент заполнения в понижающем режиме уменьшен для удержания напряжения V_dc линии постоянного тока выше 606 В.

Таким образом, предложена схема управления для зарядной системы с двухступенчатым питанием для аккумуляторов. Входная ступень используется для управления зарядным током посредством управления напряжением линии постоянного тока. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток простым образом действует как трансформатор постоянного тока, работающий в оптимальном рабочем режиме. Усиление напряжения преобразователя постоянного тока в постоянный ток можно регулировать для поддержания напряжения линии постоянного тока выше минимального порогового значения при заданных изменениях напряжения аккумулятора. Трехуровневый преобразователь постоянного тока в постоянный ток в резонансном режиме преобразователя модулирован эквивалентной двойной частотой, что позволяет достичь более низких потерь при переключении и более низких пассивного объема и веса.

В повышающем выпрямителе 14 использованы устройства питания на основе нитрида галлия, которые могут переключаться в мегагерцовом диапазоне частот. Это обеспечивает уменьшение веса и размера катушек индуктивности, трансформаторов и конденсаторов. Однако, переключение в мегагерцовом диапазоне накладывает множество сложных проблем. Данные проблемы не присутствуют в обычных конструкциях кремниевых устройств питания, которые могут переключаться на частоте лишь в десятки килогерц. Так как время включения и выключения устройств на основе нитрида галлия очень мало (в наносекундном диапазоне), они могут переключаться на значительно больших частотах переключения. По этой причине также возможно значительно уменьшить потери при переключении и, следовательно, значительно улучшить эффективность преобразования. Потери при переключении возникают непосредственно во время перехода устройства из состояния "включено" в состояние "выключено" и из состояния "выключено" в состояние "включено". Если указанный переход занял много времени, потери при переключении будут большими. Устройство на основе нитрида галлия сводит к минимуму потери при переключении.

Одна из проблем, вызванная высокой скоростью переключений, заключается в том, что высокое значение dI/dt вследствие малого времени перехода из состояния "включено" в состояние "выключено" делает механическое размещение оборудования очень сложным. Вся паразитная индуктивность в средствах установки устройства, т.е. в печатной плате, вырабатывает очень большие всплески напряжений, которые могут повредить устройство на основе нитрида галлия. Это происходит вследствие того, что V = L*dI/dt. Таким образом, при высоком dI/dt при переходе устройства из состояния "включено" в состояние "выключено" вырабатываются всплески высокого напряжения. Для предотвращения этого печатная плата должна быть выполнена так, чтобы сводить к минимуму паразитную индуктивность. Индуктивность пропорциональна длине пути. Таким образом, для сведения индуктивности к минимуму, длина путей должна быть минимальной, т.е. приводы затворов размещены ближе к устройствам, трансформатор размещен ближе к устройству и т.д. Проблематично спроектировать разводку печатной платы так, чтобы обеспечить размещение всех компонентов в очень малом корпусе для сведения индуктивностей к минимуму.

Другим уникальным аспектом раскрытой в настоящем описании схемы является то, что полученное в результате зарядное устройство является универсальным, т.е. оно выполнено с возможностью заряда как аккумуляторов высокого напряжения, так и аккумуляторов низкого напряжения. По этой причине необходима реконфигурируемая топология схемы преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Данная топология может быть реконфигурирована и переключаться между топологией понижающего преобразователя и топологией резонансного преобразователя. Переключатели K₁ и K₂ этому способствуют. Реконфигурация может быть ручной или автоматической в результате обнаружении выходного напряжения на аккумуляторе или в результате программирования с помощью перемычек и т.д.

Программное обеспечение и схемы управления выполнены с возможностью осуществления высокочастотных переключений устройств на основе нитрида галлия. При высокой частоте все действия должны быть выполнены значительно быстрее. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, вычисления и обработка сигналов управления в устройстве обработки цифровых сигналов (УОЦС) (цифровой сигнальный процессор, ЦСП). Это возможно осуществить при помощи стандартного аппаратного обеспечения для обработки цифровых сигналов, такого как устройство обработки цифровых сигналов. Также необходимо обратить особое внимание на эффективность управляющего кода, т.е. писать его эффективным, так чтобы он выполнялся быстро во время одного цикла между чтением датчиков и выдачи сигналов управления приводам затворов.

Другой аспект программного обеспечения относится к "реконфигурации" зарядного устройства. Так программное обеспечение должно быть более сложным для реконфигурации переключателей K₁ и K₂ с зависимостью от программирования при помощи перемычек или обнаруженного уровня напряжения аккумулятора. Другим аспектом является то, что программное обеспечение должно иметь возможность регулировать средства управления корректировкой коэффициента мощности с зависимостью от уровня входного напряжения зарядного устройства (он может быть 115 В или 230 В).

Другим аспектом зарядной системы, раскрытой в настоящем описании, является то, что преобразователь постоянного тока в постоянный ток может работать как в резонансном режиме преобразователя, так и в понижающем режиме преобразователя. Универсальная сущность схемы позволит снизить стоимость разработки конкретного аппаратного обеспечения зарядного устройства для каждого следующего нового самолета. Вместо этого можно будет повторно использовать одну универсальную зарядную часть вне зависимости от аккумулятора или рабочего уровня напряжения.

Хотя универсальное зарядное устройство для аккумуляторов было описано со ссылкой на конкретный вариант реализации, специалисту в данной области техники будет понятно, что могут быть выполнены различные изменения, а также замены элементов на эквивалентные без выхода за пределы объема формулы изобретения, приведенной ниже в настоящем документе. Кроме того, может быть выполнен множество модификаций для приспосабливания раскрытых в настоящем документе сведений к конкретной ситуации без выхода за пределы объема формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Системная архитектура зарядного устройства для аккумуляторов, в которой используются устройства питания на основе нитрида галлия. Система обладает преимуществами активных электронных схем питания для преобразования мощности, использования управляющих устройств для корректировки коэффициента мощности на ее входе и регулировки постоянного тока/постоянного напряжения на ее выходе. В частности, предложена универсальная архитектура зарядного устройства для аккумуляторов на основе нитрида галлия для заряда как аккумуляторов низкого напряжения, так и высокого напряжения с использованием как входного питания трехфазного переменного тока 230 В с переменной частотой, так и трехфазного переменного тока 115 В с постоянной частотой при соответствии строгим требованиям к качеству энергии и электромагнитным помехам в аэрокосмической отрасли. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Зарядное устройство для аккумуляторов, содержащее:

первый и второй проводники линии постоянного тока;

трёхфазный трехуровневый выпрямитель переменного тока в постоянный ток, соединённый с первым и вторым проводниками линии постоянного тока и выполненный с возможностью преобразования напряжений переменного тока в напряжение линии постоянного тока на первом и втором проводниках линии постоянного тока;

трехуровневый преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий первую и вторую пары выходных клемм, первую и вторую входные клеммы, соединённые с первым и вторым проводниками линии постоянного тока, первый переключатель, соединённый с одной из первой пары выходных клемм, и второй переключатель, соединённый с одной из второй пары выходных клемм, и управляющее устройство, выполненное с возможностью изменения напряжения линии постоянного тока в зависимости от нагрузки на аккумулятор, причём преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью выдачи постоянного тока для заряда аккумулятора, соединённого с первой парой выходных клемм, в зависимости от напряжения линии постоянного тока, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и также с возможностью выдачи постоянного тока для заряда аккумулятора, соединённого со второй парой выходных клемм, в зависимости от напряжения линии постоянного тока, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут, и при этом управляющее устройство содержит:

управляющее устройство для управления постоянным напряжением/постоянным током аккумулятора, выполненное с возможностью предотвращения избыточного заряда аккумулятора и выдачи опорного напряжения постоянного тока, которое изменяется в зависимости от требований нагрузки;

управляющее устройство для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием, выполненное с возможностью приёма опорного напряжения постоянного тока от управляющего устройства для управления постоянным напряжением/постоянным током аккумулятора и выдачи опорного тока, который зависит от разницы между опорным напряжением постоянного тока и напряжением линии постоянного тока; и

управляющее устройство для управления фазовым током, выполненное с возможностью приема опорного тока от управляющего устройства для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием, а затем выдачи широтно-импульсно-модулированных токов на выпрямитель переменного тока в постоянный ток для принуждения токов в трёхфазной нагрузке переменного тока следовать за опорными сигналами.

2. Зарядное устройство по п. 1, в котором преобразователь постоянного тока в постоянный ток также выполнен с возможностью работы в резонансном режиме преобразователя, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и с возможностью работы в понижающем режиме преобразователя, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут.

3. Зарядное устройство по п. 1, в котором преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержит множество силовых переключателей, соединённых последовательно между первой и второй входными клеммами.

4. Зарядное устройство по п. 3, в котором силовые переключатели представляют собой транзисторы на основе нитрида галлия.

5. Зарядное устройство по п. 1, в котором выпрямитель переменного тока в постоянный ток содержит повышающий выпрямитель типа Виенна.

6. Зарядное устройство по п. 1, в котором выпрямитель переменного тока в постоянный ток содержит:

первую, вторую и третью входные клеммы;

промежуточный узел;

первый и второй узлы соединения, соответственно соединённые с первым и вторым проводниками линии постоянного тока;

первую катушку индуктивности и первую пару переключателей высокой мощности, выполненных с возможностью соединения первой входной клеммы с промежуточным узлом, когда первая пара переключателей высокой мощности замкнута;

вторую катушку индуктивности и вторую пару переключателей высокой мощности, выполненных с возможностью соединения второй входной клеммы с промежуточным узлом, когда вторая пара переключателей высокой мощности замкнута;

третью катушку индуктивности и третью пару переключателей высокой мощности, выполненных с возможностью соединения третьей входной клеммы с промежуточным узлом, когда третья пара переключателей высокой мощности замкнута;

первый конденсатор, имеющий одну клемму, соединённую с промежуточным узлом, и другую клемму, соединённую с первым узлом соединения; и

второй конденсатор, имеющий одну клемму, соединённую с промежуточным узлом, и другую клемму, соединённую со вторым узлом соединения.

7. Зарядное устройство по п. 6, в котором переключатели высокой мощности первой, второй и третьей пар представляют собой транзисторы на основе нитрида галлия.

8. Зарядное устройство для аккумуляторов, содержащее:

первый и второй проводники линии постоянного тока;

выпрямитель переменного тока в постоянный ток, соединенный с первым и вторым проводниками линии постоянного тока и выполненный с возможностью преобразования напряжений переменного тока в напряжение линии постоянного тока на первом и втором проводниках линии постоянного тока; и

преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий первую и вторую пару выходных клемм, первую и вторую входные клеммы, соединённые с первым и вторым проводниками линии постоянного тока, первый переключатель, соединённый с одной из первой пары выходных клемм, и второй переключатель, соединённый с одной из второй пары выходных клемм, причём преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью выдачи постоянного тока для заряда аккумулятора, соединённого с первой парой выходных клемм, в зависимости от напряжения линии постоянного тока, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и также с возможностью выдачи постоянного тока для заряда аккумулятора, соединённого со второй парой входных клемм, в зависимости от напряжения линии постоянного тока, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут, другая из второй пары выходных клемм соединена со второй входной клеммой, а преобразователь постоянного тока в постоянный ток также содержит:

с первого по четвёртый силовые переключатели, соединённые последовательно между первой и второй входными клеммами;

катушку индуктивности, соединённую с промежуточной точкой между вторым и третьим силовыми переключателями;

трансформатор, содержащий первичную обмотку и первую вторичную обмотку, причём первичная обмотка соединяет катушку индуктивности со вторым переключателем; и

первый конденсатор, соединяющий первичную обмотку с четвёртым силовым переключателем.

9. Зарядное устройство по п. 8, в котором трансформатор также содержит вторую вторичную обмотку, соединённую последовательно с первой вторичной обмоткой, а другая из первой пары выходных клемм соединена с промежуточной точкой между первой и второй вторичными обмотками.

10. Зарядное устройство по п. 9, в котором преобразователь постоянного тока в постоянный ток также содержит:

первый узел соединения, который соединён с одной из первой пары выходных клемм, когда первый переключатель замкнут;

третий переключатель, который, когда замкнут, соединяет первый узел соединения с первой вторичной обмоткой; и

четвёртый переключатель, который, когда замкнут, соединяет первый узел соединения со второй вторичной обмоткой.

11. Зарядное устройство по п. 10, в котором третий и четвёртый переключатели представляют собой полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник.

12. Зарядное устройство по п. 10, в котором преобразователь постоянного тока в постоянный ток также содержит:

второй узел соединения, расположенный между первым переключателем и одной из первой пары выходных клемм;

третий узел соединения, расположенный между другой из первой пары выходных клемм и промежуточной точкой между первой и второй вторичными обмотками; и

второй конденсатор, расположенный между вторым и третьим узлами соединения.

13. Зарядное устройство для аккумуляторов, содержащее:

первый и второй проводники линии постоянного тока;

повышающий выпрямитель типа Виенна, соединенный с первым и вторым проводниками линии постоянного тока и выполненный с возможностью преобразования напряжений переменного тока в напряжение линии постоянного тока на первом и втором проводниках линии постоянного тока;

трёхуровневый преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий первую и вторую пары выходных клемм, первую и вторую входные клеммы, соединённые с первым и вторым проводниками линии постоянного тока, первый переключатель, соединённый с одной из первой пары выходных клемм, и второй переключатель, соединённый с одной из второй пары выходных клемм, причём трёхуровневый преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью работы в резонансном режиме преобразователя, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и с возможностью работы в понижающем режиме преобразователя, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут; и

управляющее устройство, выполненное с возможностью изменения напряжения линии постоянного тока в зависимости от нагрузки на аккумулятор, причём управляющее устройство содержит:

управляющее устройство для управления постоянным напряжением/постоянным током аккумулятора, выполненное с возможностью предотвращения избыточного заряда аккумулятора и выдачи опорного напряжения постоянного тока, которое изменяется в зависимости от требований нагрузки;

управляющее устройство для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием, выполненное с возможностью приёма опорного напряжения постоянного тока от управляющего устройства для управления постоянным напряжением/постоянным током аккумулятора и выдачи опорного тока, который зависит от разницы между опорным напряжением постоянного тока и напряжением линии постоянного тока; и

управляющее устройство для управления фазовым током, выполненное с возможностью приема опорного тока от управляющего устройства для управления напряжением линии постоянного тока и равновесием, а затем выдачи широтно-импульсно-модулированных токов на выпрямитель переменного тока в постоянный ток для принуждения токов в трёхфазной нагрузке переменного тока следовать за опорными сигналами.

14. Зарядное устройство по п. 13, в котором преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержит множество транзисторов на основе нитрида галлия, соединённых последовательно между первой и второй входными клеммами.

15. Зарядное устройство по п. 13, в котором повышающий выпрямитель типа Виенна содержит:

первую, вторую и третью входные клеммы;

промежуточный узел;

первый и второй узлы соединения, соответственно соединённые с первым и вторым проводниками линии постоянного тока;

первую катушку индуктивности и первую пару переключателей высокой мощности, выполненных с возможностью соединения первой входной клеммы с промежуточным узлом, когда первая пара переключателей высокой мощности замкнута;

вторую катушку индуктивности и вторую пару переключателей высокой мощности, выполненных с возможностью соединения второй входной клеммы с промежуточным узлом, когда вторая пара переключателей высокой мощности замкнута;

третью катушку индуктивности и третью пару переключателей высокой мощности, выполненных с возможностью соединения третьей входной клеммы с промежуточным узлом, когда третья пара переключателей высокой мощности замкнута;

первый конденсатор, имеющий одну клемму, соединённую с промежуточным узлом, и другую клемму, соединённую с первым узлом соединения; и

второй конденсатор, имеющий одну клемму, соединённую с промежуточным узлом, и другую клемму, соединённую со вторым узлом соединения, причём переключатели высокой мощности первой, второй и третьей пар представляют собой транзисторы на основе нитрида галлия.

16. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток, содержащий:

первую пару выходных клемм;

первую и вторую входные клеммы;

первый переключатель, соединённый с одной из первой пары выходных клемм;

множество силовых переключателей, соединённых последовательно между первой и второй входными клеммами;

первый узел соединения, соединённый соответствующими электрическими проводниками с последним из соединённых последовательно силовых переключателей, со второй входной клеммой и с одной из первой пары выходных клемм;

второй узел соединения, расположенный вдоль электрического проводника, соединяющего два силовых переключателя;

последовательное соединение, соединяющее первый и второй узлы соединения, которое содержит катушку индуктивности, первичную обмотку трансформатора и первый конденсатор;

третий узел соединения, соединённый соответствующими электрическими проводниками с первым конденсатором, первым переключателем и первичной обмоткой трансформатора; и

второй конденсатор, который соединяет первую выходную клемму первой пары выходных клемм со второй выходной клеммой первой пары выходных клемм, вторую пару выходных клемм;

четвёртый узел соединения;

второй переключатель, расположенный между четвёртым узлом соединения и первой выходной клеммой второй пары выходных клемм;

первую и вторую вторичные обмотки трансформатора, соединённые последовательно;

первый транзистор, расположенный между первой вторичной обмоткой и четвёртым узлом соединения; и

второй транзистор, расположенный между второй вторичной обмоткой и четвёртым узлом соединения, причём первый переключатель расположен между третьим узлом соединения и второй выходной клеммой первой пары выходных клемм, а преобразователь постоянного тока в постоянный ток выполнен с возможностью работы в понижающем режиме преобразователя, когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, и находится в резонансном режиме преобразователя, когда первый переключатель разомкнут, а второй переключатель замкнут.

17. Преобразователь по п. 16, в котором силовые переключатели представляют собой транзисторы на основе нитрида галлия.

18. Преобразователь по п. 16, в котором вторая выходная клемма второй пары выходных клемм соединена с промежуточной точкой между первой и второй вторичными обмотками.

19. Преобразователь по п. 18, который также содержит:

пятый узел соединения, расположенный между вторым переключателем и первой выходной клеммой второй пары выходных клемм;

шестой узел соединения, расположенный между второй выходной клеммой второй пары выходных клемм и промежуточной точкой между первой и второй вторичными обмотками;

и третий конденсатор, соединяющий пятый узел соединения и шестой узел соединения.