固態預充電模塊的製作方法

2023-06-04 05:01:36

專利名稱：固態預充電模塊的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電氣繼電器，尤其涉及用於電氣負載的預充電組件。
背景技術：
繼電器是基於所施加的電流而開路和閉合的電開關。對於不同類型的應用或基於具體的操作參數可使用不同的繼電器。通常繼電器是電磁或固態類型。在高壓應用中，繼電器必須被設計為可處理高壓的影響。例如，混合動
力電動汽車(HEV)中可能會提供非常大的集成電容器(諸如大於2000微法(/iF))以給一個或多個負載提供電源。為避免接通電源時施加給繼電器觸點的破壞性的浪湧電流(inrush current),必須對這種類型應用中的電容器預充電。本質上，當向未充電的電容器施加電源時，過量的電流湧向電容器。如果未提供預充電電路，那麼大的浪湧電流可導致電容器的過熱，並降低其壽命。大的浪湧電流還可能損壞將電源切換給電容器的繼電器觸點。此外，如果沒有提供預充電電路，那麼將需要非常大的主隔離繼電器(maindisconnect relay),並且在沒有預充電電路的情況下，系統的保險絲也會更易於且更經常地被切斷。
目前，在這些高壓應用中，通常預充電模塊是能夠切換大電壓(諸如300V- 600V)的機電式繼電器。預充電模塊用來與電阻器串聯橫跨在接觸器的主觸點上以給電容器預充電。然而，這些高壓電磁預充電模塊非常貴，並且通常尺寸較大。因此，問題是系統的總成本增加，並且包括該繼電器的模塊的尺寸也可能較大，因而限制了用於其它組件的空間。

發明內容
通過本公開的預充電模塊提供了解決方案，該預充電模塊包括繼電器、連接至該繼電器的電晶體以及連接至該電晶體的固態裝置。該固態裝置控制該電晶體的切換。


參考附圖，現將通過例子的方式描述本發明，其中圖l是根據示例性實施例所形成的、控制到負載的電源的預充電電路的示意圖。
圖2是基於繼電器預充電圖解示例性浪湧電流的圖形。
圖3是根據示例性實施例所形成的預充電模塊的原理圖。
圖4是根據另一個示例性實施例所形成的預充電模塊的原理圖。
具體實施例方式
圖l是示出一預充電電路的原理圖，該預充電電路具有根據各種示例性實施例所形成的、控制到負載的電源的預充電模塊20。預充電模塊20可以是固態類型，並被配置為與預充電電阻器22 (例如10歐姆(1 OQ)預充電電阻器)相串聯的固態模塊，它們一起跨接在接觸器26的觸點24上。在所圖解的實施例中，接觸器26是主繼電器或主接觸器，用於切換對負載(如混合動力電動汽車中的負載)的通電和斷電。由接觸器26接通及斷開的電源可以是來自於不同類型的電源，例如,來自於燃料電池、蓄電池、發電機等。應該注意的是，儘管結合具體應用或為了具體用途來描述預充電模塊20,但是各種實施例並非如此有限，預充電模塊20可用於任何其中需要或是期望預充電的應用中。
在操作中，預充電模塊20預充電一個或多個電容器36。電容器36可很大，諸如1000微法(;/F)或預充電模塊20將預充電的電壓地(pre-charge voltage ground)(如12V地)與總電源電壓地(full powervoltage ground)(如300V地或600V地)隔離。當將地(ground)施加給預充電模塊20時，預充電模塊20接通以給電容器36預充電；當電容器36已達到預定的預充電電平時，預充電模塊20切斷(允許接觸器26接通)，所述預定的預充電電平例如大於電容器36的總電荷容量的大約80%、大於電容器36的總電荷容量的大約90%、大於電容器36的總電荷容量的大約95%、大於電容器36的總電荷容量的大約96°/ 、電容器36的總電荷容量的大約99%(其可^皮-現為已充滿)等。然而，預充電繼電器20可配置為允許電容器36達到高於
或是低於所描述電平的任何預定的預充電電平。
圖2中所示是基於繼電器預充電百分比來圖解示例性浪湧電流的圖形40。圖形40定義了^f黃;誇水平軸的充電時間以及4黃跨垂直軸的以安培表示的浪湧電流。曲線42代表對於所圖解的電容器36在百分之八十(80W最小預充電之處的浪湧電流；曲線44代表對於所圖解的電容器36在百分之九十(90°/ )標稱(nominal)預充電之處的浪湧電流。應該注意的是，曲線42的最大浪湧電流大約是650安培，而曲線44的最大浪湧電流大約是350安培。應該理解，浪湧電流和充電時間依賴於各種不同的因素，包4舌例如，電源的功率、電容器36的類型和容量等。因此，基於電容器36的充電特性，可對預充電模塊20進行不同的配置來給電容器36預充電。
圖3是才艮據所示的示例性實施例所形成的預充電模塊20的原理圖。預充電模塊20被配置為固態預充電模塊，其包括固態裝置(更具體地，包括固態驅動器組件52)以及繼電器54,繼電器54在所圖解的實施例中是集成的隔離機電式繼電器。例如，示例性實施例中的驅動器組件52是自振蕩半橋(half-bridge)驅動器,諸如從加州El Segundo的國際整流器公司可得到的IR2153S驅動器。該實施例中的繼電器54是標準的12伏(12V)繼電器，例如，12V的汽車級機電式繼電器。然而，根據應用可4吏用具有不同額定電壓的不同類型的繼電器。
繼電器54的繼電器線圈55的一端通過二極體56連接至低壓電源58，例如12伏(12V)電源(如12V車用電池)，繼電器54的繼電器線圈55的另一端連接至切換到地60的開關61，'並且當該開關61未切換至地60時(如沒有電流)，其被開路以提供隔離。二極體56操作用於阻擋反向電流，例如，如果電源反向地(如相反的極性)連接至繼電器54。同樣，二極體62跨接在繼電器54的線圈55上。二極體62操作用於在工作期間再循環電源(reci rculate power)以最小化瞬變現象。
繼電器54可揭:作地將來自於例如300伏電源(如300V的混合動力電動汽車電源組)的高壓電源63的電源切換至電晶體64。具體地，低壓電源"連接至繼電器線圏55，且高電壓電源63連接至常開觸點57 (圖4中所示的管腳5),其當被通電時閉合。當常開觸點57閉合時，連接被安排到地，且電源通過可動觸點59(如圖4中所示的可動觸點59的管腳4)提供給電晶體64(Ql)和驅動器組件52，其中該電晶體64(Ql)在所圖解實施例中為金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)。在操作中，將來自於高壓電源63的高壓提供給電晶體64,並且將由齊納二極體73 (D3)所限制或鉗位的減小後的電壓(如15V ~ 18V)提供給驅動器組件52。應該注意的是，橫跨電阻器76(R3)下降了非常大的電壓(如285伏)。
驅動器組件52通過電阻器80(Rl)連接至MOSFEF的柵極72,在所圖解實施例中所述驅動器組件為具有以下管腳配置的八腳IR2153S晶片
Vcc邏輯與內部門驅動電源電壓
RT振蕩器定時電阻器輸入
振蕩器定時電容器輸入
COM公共端(Vcc電壓的基準)
LO低壓端(low side)的柵極驅動器輸出
Vs高壓浮動電源返回
HO高壓端(high side)的柵極驅動器輸出
VB高壓端(high side)的柵極驅動器浮動電源
在該實施例中，驅動器組件52的L0管腳未連接，驅動器組件52的COM管腳連接至電晶體64的源極70。驅動器組件52的Vs管腳連接至驅動器組件52的C0M管腳。電容器75為Vcc電源提供15伏，並作為驅動器組件52的Vs管腳的基準。此外，由於齊納二極體73將作為驅動器組件52的COM管腳的基準的電壓鉗位在例如15V，所以橫跨電阻器76有很高的電壓降，該鉗位電壓給電容器75充電，並且通過二極體78 (D5)被提供給驅動器組件52的Vb管腳。當電晶體64的源極70的電壓(其為C0M管腳的電壓)接近電晶體64的漏極66的電壓時，驅動器組件52關斷。應該理解的是，如果使用不同的驅動器組件52,那麼可安排不同的連接以提供如在此所描述的預充電模塊20的操作。
因此，在操作中，圖3中的電流由箭頭示出，且驅動器組件52控制電晶體64的導通或關斷，以使得在所圖解的實施例中當電晶體64的源極70的電壓接近M0SFET的漏極66的電壓時M0SFET被關斷。因此，當電容器36被預充電至預定的電平時(其可能是"l妄近如下面描述的已充滿(如總容量的99%)),預充電模塊20關斷。
本質上，驅動器組件52提供了浮置地(floating ground)以使得低壓電源58和高壓電源63之間沒有連接。驅動器組件52包括具有前置振蕩器(front end osci 1 lator)的半橋4冊極驅動器(half-bridge gate driver),該前置振蕩器以百分之五十(50y。)佔空度(duty cycle)振蕩。電容器82和電阻 器84的值確定佔空度的頻率(如1千赫茲(kHz))。
使用圖4中圖解的實施例作為例子，一旦通過例如低壓電源58將繼電器 54通電，那麼來自於高壓電源63(如300V)的電壓通過繼電器觸點(例如，從 常開觸點57通過可動觸點59)被施加給電晶體64。由二極體73鉗位/限制一 較低的電壓(如15V ~ 18V),並且以公共端(例如，驅動器組件52的COM管腳) 為基準將其施加給驅動器組件52的Vcc管腳。在延遲由電容器82 (Cl)和電 阻器84(R2)所確定的預定時間段之後，電晶體64將被驅動器組件52開啟並 且通過預充電電阻器22(圖1中所示)提供300V來開始由MOSFET提供的預充 電。
電容器36的延遲和充電時間可基於例如應用、電容器等編程和配置。根 據預充電電阻器22和電容器36的時間常數可選擇電容器82和電阻器84的 值。例如，如果預充電電阻器22和電容器35的值分別是10歐姆和2000微 法，那麼充電時間常數為10 x 2000=20ms。在接觸器26 (圖1中所示)閉合之 前，本例中需要3倍的時間常數6Oms來將2000微法的電容充電至充電電壓 (其在圖3所圖解的應用中為300V)的95%。因此，可配置為固態預充電模塊 的預充電模塊20的延遲和充電時間必須大於60ms以允許期望或要求的預充 電。
當電容器36被預充滿時，即使繼電器54仍然被通電，驅動器組件52 也將停止驅動電晶體64(如M0SFET)的柵極72,因此停止了電容器36的充電。 然後，繼電器54可在沒有電流流動的情況下被斷電。當電流在流動時繼電器 54將不會被通電或斷電。因此，可利用常規的12V汽車機電式繼電器。接觸 器26直到電容器36被預充電後才閉合。當達到如在此所描述的要求或期望 的預充電時(如電容器36的99%預充電)，預充電模塊20自動關斷。
圖4是根據另一個示例性實施例所形成的預充電模塊90的原理圖。預充 電模塊90類似於預充電模塊20，其中，相同的數字代表相同的組件。然而， 預充電模塊90還包括連接在電晶體64的柵極72和源極70之間的電阻器92。 與電阻器80相組合的電阻器92確保了電晶體64基於驅動器組件52的振蕩 來急劇地導通或關斷。
此外，預充電模塊90包括連接在驅動器組件52的LO管腳和MOSFET的 柵極72之間的光電耦合器94。在所圖解的實施例中，光電耦合器94是光電耦合器或光電繼電器，諸如從紐約的東芝美國分公司(東芝企業)可得到的
TLP222G光電耦合器/光電繼電器。光電耦合器94提供用以關斷電晶體64的 保護，例如，如果繼電器線圈電壓中發生突然中斷(如預充電模塊20或90被 開啟，然後很快地被關斷)。例如，如果繼電器線圏55的電壓中發生突然中 斷，那麼光電耦合器94關斷MOSFET以停止電流，防止繼電器54的觸點再次 開路。當繼電器54閉合時電晶體64傳送電流。在操作中，當開關61切換至 地60時，光電耦合器94閉合且在繼電器54閉合之前閉合，以使得如果需要， 光電耦合器可再次打開。本質上，光電耦合器94提供了安全預防，並保護繼 電器觸點以確認當觸點打開時沒有電流流過。
應該注意的是，圖4中也圖解了繼電器54的組件部分。確切地說，除了 繼電器線圏55之外，還示出了繼電器開關96。預充電模塊90的操作與預充 電模塊20相同。預充電模塊20和預充電模塊90兩者均包括與MOSFET串聯 的諸如繼電器54之類的低壓繼電器(如12V汽車繼電器)，該MOSFET在繼電 器線圈(例如，繼電器線圈55)禁用(disable)時提供隔離以防止洩漏電流(如 預防洩漏電流通過MOSFET)。該組合使用例如自振蕩半橋驅動器(諸如驅動器 組件52)來提供高壓電容器的預充電，其中自振蕩半橋驅動器在沒有地的情 況下(如IC晶片浮置)工作以提供低壓電源58(例如，12電源的地)和高壓電 源63(例如，600V或300V的電源)之間的隔離。 一旦電容器已預充電，預充 電模塊20或預充電模塊90將自動關斷。因此，電容器(例如，電容器36)被 預充電，然後主繼電器(諸如接觸器26)閉合或是被接通以允許電流。例如， 為了預充電一個或多個大電容器，在主繼電器閉合之前，預充電模塊20或預 充電模塊90先被激活一時間段(如200ms)。
雖然已按照各種特定實施例描述了本發明，但本領域的技術人員應該明 白，在權利要求的範圍內可以以修改方式來實踐本發明。
權利要求
1. 一種預充電模塊(20)，包含繼電器(54)；電晶體(64)，其連接至該繼電器；固態裝置(52)，其連接至該電晶體，該固態裝置控制該電晶體的切換。
2. 如權利要求1所述的預充電模塊，其中，該電晶體(64)包含金屬氧 化物半導體場效應電晶體。
3. 如權利要求1所述的預充電模塊,其中，該固態裝置(52)包含以50% 佔空度驅動該電晶體(64)的柵極(72)的驅動器組件。
4. 如權利要求1所述的預充電模塊，其中，該固態裝置(52)包含自振 蕩半橋驅動器。
5. 如權利要求1所述的預充電模塊，其中，該固態裝置(52)包含浮置 地集成電路晶片。
6. 如權利要求1所述的預充電模塊，其中，該繼電器(54)包含具有12 伏額定值的機電式繼電器。
7. 如權利要求1所述的預充電模塊，進一步包含連接在該固態裝置(52) 的LO輸出和該電晶體(64)的柵極(72)之間的光電耦合器(94)。
8. 如權利要求1所述的預充電模塊，進一步包含接地開關(61)的光電 耦合器(94),該接地開關連接至該繼電器(54)。
9. 如權利要求1所述的預充電模塊，其中，該繼電器(54)的常開觸點 (57)與至少300伏的電源(63)相連接。
10. 如權利要求1所述的預充電模塊，進一步包含電阻器(84)和電容器 (82),並且其中，該固態裝置(52)包含半橋驅動器，該電阻器(84)和該電容器 (82)設定導通該電晶體(64)的時間段。
11. 如權利要求1所述的預充電模塊，其中，該電晶體(64)連接至待預 充電的電容器(36),並且當將電容器(36)充電至預定容量時，電晶體(64)^皮關 斷。
12. 如權利要求1所述的預充電模塊，其中，該電晶體(64)連接至高壓 電源(63)。
13. 如權利要求1所述的預充電模塊，還包含連接至該固態裝置(52)、減小至該固態裝置的電壓的齊納二極體(73)。
全文摘要
一種固態預充電模塊，其包括繼電器、連接至該繼電器的電晶體以及連接至該電晶體的固態裝置。該固態裝置控制該電晶體的切換。
文檔編號H02H9/00GK101461112SQ200780020763
公開日2009年6月17日 申請日期2007年4月3日 優先權日2006年4月4日
發明者約翰·S·考恩, 萊爾·S·布賴恩 申請人:泰科電子公司