專利名稱：固態(tài)預(yù)充電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電氣繼電器，尤其涉及用于電氣負(fù)載的預(yù)充電組件。
背景技術(shù)：
繼電器是基于所施加的電流而開路和閉合的電開關(guān)。對(duì)于不同類型的應(yīng)用或基于具體的操作參數(shù)可使用不同的繼電器。通常繼電器是電磁或固態(tài)類型。在高壓應(yīng)用中，繼電器必須被設(shè)計(jì)為可處理高壓的影響。例如，混合動(dòng)
力電動(dòng)汽車(HEV)中可能會(huì)提供非常大的集成電容器(諸如大于2000微法(/iF))以給一個(gè)或多個(gè)負(fù)載提供電源。為避免接通電源時(shí)施加給繼電器觸點(diǎn)的破壞性的浪涌電流(inrush current),必須對(duì)這種類型應(yīng)用中的電容器預(yù)充電。本質(zhì)上，當(dāng)向未充電的電容器施加電源時(shí)，過量的電流涌向電容器。如果未提供預(yù)充電電路，那么大的浪涌電流可導(dǎo)致電容器的過熱，并降低其壽命。大的浪涌電流還可能損壞將電源切換給電容器的繼電器觸點(diǎn)。此外，如果沒有提供預(yù)充電電路，那么將需要非常大的主隔離繼電器(maindisconnect relay),并且在沒有預(yù)充電電路的情況下，系統(tǒng)的保險(xiǎn)絲也會(huì)更易于且更經(jīng)常地被切斷。
目前，在這些高壓應(yīng)用中，通常預(yù)充電模塊是能夠切換大電壓(諸如300V- 600V)的機(jī)電式繼電器。預(yù)充電模塊用來與電阻器串聯(lián)橫跨在接觸器的主觸點(diǎn)上以給電容器預(yù)充電。然而，這些高壓電磁預(yù)充電模塊非常貴，并且通常尺寸較大。因此，問題是系統(tǒng)的總成本增加，并且包括該繼電器的模塊的尺寸也可能較大，因而限制了用于其它組件的空間。

發(fā)明內(nèi)容
通過本公開的預(yù)充電模塊提供了解決方案，該預(yù)充電模塊包括繼電器、連接至該繼電器的晶體管以及連接至該晶體管的固態(tài)裝置。該固態(tài)裝置控制該晶體管的切換。


參考附圖，現(xiàn)將通過例子的方式描述本發(fā)明，其中圖l是根據(jù)示例性實(shí)施例所形成的、控制到負(fù)載的電源的預(yù)充電電路的示意圖。
圖2是基于繼電器預(yù)充電圖解示例性浪涌電流的圖形。
圖3是根據(jù)示例性實(shí)施例所形成的預(yù)充電模塊的原理圖。
圖4是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例所形成的預(yù)充電模塊的原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖l是示出一預(yù)充電電路的原理圖，該預(yù)充電電路具有根據(jù)各種示例性實(shí)施例所形成的、控制到負(fù)載的電源的預(yù)充電模塊20。預(yù)充電模塊20可以是固態(tài)類型，并被配置為與預(yù)充電電阻器22 (例如10歐姆(1 OQ)預(yù)充電電阻器)相串聯(lián)的固態(tài)模塊，它們一起跨接在接觸器26的觸點(diǎn)24上。在所圖解的實(shí)施例中，接觸器26是主繼電器或主接觸器，用于切換對(duì)負(fù)載(如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的負(fù)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于不同類型的電源，例如,來自于燃料電池、蓄電池、發(fā)電機(jī)等。應(yīng)該注意的是，盡管結(jié)合具體應(yīng)用或?yàn)榱司唧w用途來描述預(yù)充電模塊20,但是各種實(shí)施例并非如此有限，預(yù)充電模塊20可用于任何其中需要或是期望預(yù)充電的應(yīng)用中。
在操作中，預(yù)充電模塊20預(yù)充電一個(gè)或多個(gè)電容器36。電容器36可很大，諸如1000微法(;/F)或預(yù)充電模塊20將預(yù)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(dāng)將地(ground)施加給預(yù)充電模塊20時(shí)，預(yù)充電模塊20接通以給電容器36預(yù)充電；當(dāng)電容器36已達(dá)到預(yù)定的預(yù)充電電平時(shí)，預(yù)充電模塊20切斷(允許接觸器26接通)，所述預(yù)定的預(yù)充電電平例如大于電容器36的總電荷容量的大約80%、大于電容器36的總電荷容量的大約90%、大于電容器36的總電荷容量的大約95%、大于電容器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(xiàn)為已充滿)等。然而，預(yù)充電繼電器20可配置為允許電容器36達(dá)到高于
或是低于所描述電平的任何預(yù)定的預(yù)充電電平。
圖2中所示是基于繼電器預(yù)充電百分比來圖解示例性浪涌電流的圖形40。圖形40定義了^f黃;夸水平軸的充電時(shí)間以及4黃跨垂直軸的以安培表示的浪涌電流。曲線42代表對(duì)于所圖解的電容器36在百分之八十(80W最小預(yù)充電之處的浪涌電流；曲線44代表對(duì)于所圖解的電容器36在百分之九十(90°/ )標(biāo)稱(nominal)預(yù)充電之處的浪涌電流。應(yīng)該注意的是，曲線42的最大浪涌電流大約是650安培，而曲線44的最大浪涌電流大約是350安培。應(yīng)該理解，浪涌電流和充電時(shí)間依賴于各種不同的因素，包4舌例如，電源的功率、電容器36的類型和容量等。因此，基于電容器36的充電特性，可對(duì)預(yù)充電模塊20進(jìn)行不同的配置來給電容器36預(yù)充電。
圖3是才艮據(jù)所示的示例性實(shí)施例所形成的預(yù)充電模塊20的原理圖。預(yù)充電模塊20被配置為固態(tài)預(yù)充電模塊，其包括固態(tài)裝置(更具體地，包括固態(tài)驅(qū)動(dòng)器組件52)以及繼電器54,繼電器54在所圖解的實(shí)施例中是集成的隔離機(jī)電式繼電器。例如，示例性實(shí)施例中的驅(qū)動(dòng)器組件52是自振蕩半橋(half-bridge)驅(qū)動(dòng)器,諸如從加州El Segundo的國際整流器公司可得到的IR2153S驅(qū)動(dòng)器。該實(shí)施例中的繼電器54是標(biāo)準(zhǔn)的12伏(12V)繼電器，例如，12V的汽車級(jí)機(jī)電式繼電器。然而，根據(jù)應(yīng)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的一端通過二極管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(guān)61，'并且當(dāng)該開關(guān)61未切換至地60時(shí)(如沒有電流)，其被開路以提供隔離。二極管56操作用于阻擋反向電流，例如，如果電源反向地(如相反的極性)連接至繼電器54。同樣，二極管62跨接在繼電器54的線圈55上。二極管62操作用于在工作期間再循環(huán)電源(reci rculate power)以最小化瞬變現(xiàn)象。
繼電器54可揭:作地將來自于例如300伏電源(如300V的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電源組)的高壓電源63的電源切換至晶體管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(diǎn)57 (圖4中所示的管腳5),其當(dāng)被通電時(shí)閉合。當(dāng)常開觸點(diǎn)57閉合時(shí)，連接被安排到地，且電源通過可動(dòng)觸點(diǎn)59(如圖4中所示的可動(dòng)觸點(diǎn)59的管腳4)提供給晶體管64(Ql)和驅(qū)動(dòng)器組件52，其中該晶體管64(Ql)在所圖解實(shí)施例中為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)。在操作中，將來自于高壓電源63的高壓提供給晶體管64,并且將由齊納二極管73 (D3)所限制或鉗位的減小后的電壓(如15V ~ 18V)提供給驅(qū)動(dòng)器組件52。應(yīng)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(qū)動(dòng)器組件52通過電阻器80(Rl)連接至MOSFEF的柵極72,在所圖解實(shí)施例中所述驅(qū)動(dòng)器組件為具有以下管腳配置的八腳IR2153S芯片
Vcc邏輯與內(nèi)部門驅(qū)動(dòng)電源電壓
RT振蕩器定時(shí)電阻器輸入
振蕩器定時(shí)電容器輸入
COM公共端(Vcc電壓的基準(zhǔn))
LO低壓端(low side)的柵極驅(qū)動(dòng)器輸出
Vs高壓浮動(dòng)電源返回
HO高壓端(high side)的柵極驅(qū)動(dòng)器輸出
VB高壓端(high side)的柵極驅(qū)動(dòng)器浮動(dòng)電源
在該實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器組件52的L0管腳未連接，驅(qū)動(dòng)器組件52的COM管腳連接至晶體管64的源極70。驅(qū)動(dòng)器組件52的Vs管腳連接至驅(qū)動(dòng)器組件52的C0M管腳。電容器75為Vcc電源提供15伏，并作為驅(qū)動(dòng)器組件52的Vs管腳的基準(zhǔn)。此外，由于齊納二極管73將作為驅(qū)動(dòng)器組件52的COM管腳的基準(zhǔn)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，并且通過二極管78 (D5)被提供給驅(qū)動(dòng)器組件52的Vb管腳。當(dāng)晶體管64的源極70的電壓(其為C0M管腳的電壓)接近晶體管64的漏極66的電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器組件52關(guān)斷。應(yīng)該理解的是，如果使用不同的驅(qū)動(dòng)器組件52,那么可安排不同的連接以提供如在此所描述的預(yù)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(qū)動(dòng)器組件52控制晶體管64的導(dǎo)通或關(guān)斷，以使得在所圖解的實(shí)施例中當(dāng)晶體管64的源極70的電壓接近M0SFET的漏極66的電壓時(shí)M0SFET被關(guān)斷。因此，當(dāng)電容器36被預(yù)充電至預(yù)定的電平時(shí)(其可能是"l妄近如下面描述的已充滿(如總?cè)萘康?9%)),預(yù)充電模塊20關(guān)斷。
本質(zhì)上，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器組件52包括具有前置振蕩器(front end osci 1 lator)的半橋4冊(cè)極驅(qū)動(dòng)器(half-bridge gate driver),該前置振蕩器以百分之五十(50y。)占空度(duty cycle)振蕩。電容器82和電阻 器84的值確定占空度的頻率(如1千赫茲(kHz))。
使用圖4中圖解的實(shí)施例作為例子，一旦通過例如低壓電源58將繼電器 54通電，那么來自于高壓電源63(如300V)的電壓通過繼電器觸點(diǎn)(例如，從 常開觸點(diǎn)57通過可動(dòng)觸點(diǎn)59)被施加給晶體管64。由二極管73鉗位/限制一 較低的電壓(如15V ~ 18V),并且以公共端(例如，驅(qū)動(dòng)器組件52的COM管腳) 為基準(zhǔn)將其施加給驅(qū)動(dòng)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(yù)定時(shí)間段之后，晶體管64將被驅(qū)動(dòng)器組件52開啟并 且通過預(yù)充電電阻器22(圖1中所示)提供300V來開始由MOSFET提供的預(yù)充 電。
電容器36的延遲和充電時(shí)間可基于例如應(yīng)用、電容器等編程和配置。根 據(jù)預(yù)充電電阻器22和電容器36的時(shí)間常數(shù)可選擇電容器82和電阻器84的 值。例如，如果預(yù)充電電阻器22和電容器35的值分別是10歐姆和2000微 法，那么充電時(shí)間常數(shù)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(shí)間常數(shù)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(yīng)用中為300V)的95%。因此，可配置為固態(tài)預(yù)充電模塊 的預(yù)充電模塊20的延遲和充電時(shí)間必須大于60ms以允許期望或要求的預(yù)充 電。
當(dāng)電容器36被預(yù)充滿時(shí)，即使繼電器54仍然被通電，驅(qū)動(dòng)器組件52 也將停止驅(qū)動(dòng)晶體管64(如M0SFET)的柵極72,因此停止了電容器36的充電。 然后，繼電器54可在沒有電流流動(dòng)的情況下被斷電。當(dāng)電流在流動(dòng)時(shí)繼電器 54將不會(huì)被通電或斷電。因此，可利用常規(guī)的12V汽車機(jī)電式繼電器。接觸 器26直到電容器36被預(yù)充電后才閉合。當(dāng)達(dá)到如在此所描述的要求或期望 的預(yù)充電時(shí)(如電容器36的99%預(yù)充電)，預(yù)充電模塊20自動(dòng)關(guān)斷。
圖4是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例所形成的預(yù)充電模塊90的原理圖。預(yù)充 電模塊90類似于預(yù)充電模塊20，其中，相同的數(shù)字代表相同的組件。然而， 預(yù)充電模塊90還包括連接在晶體管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確保了晶體管64基于驅(qū)動(dòng)器組件52的振蕩 來急劇地導(dǎo)通或關(guān)斷。
此外，預(yù)充電模塊90包括連接在驅(qū)動(dòng)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(shí)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(yè))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(guān)斷晶體管64的 保護(hù)，例如，如果繼電器線圈電壓中發(fā)生突然中斷(如預(yù)充電模塊20或90被 開啟，然后很快地被關(guān)斷)。例如，如果繼電器線圏55的電壓中發(fā)生突然中 斷，那么光電耦合器94關(guān)斷MOSFET以停止電流，防止繼電器54的觸點(diǎn)再次 開路。當(dāng)繼電器54閉合時(shí)晶體管64傳送電流。在操作中，當(dāng)開關(guān)61切換至 地60時(shí)，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(zhì)上，光電耦合器94提供了安全預(yù)防，并保護(hù)繼 電器觸點(diǎn)以確認(rèn)當(dāng)觸點(diǎn)打開時(shí)沒有電流流過。
應(yīng)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(guān)96。預(yù)充電模塊90的操作與預(yù)充 電模塊20相同。預(yù)充電模塊20和預(yù)充電模塊90兩者均包括與MOSFET串聯(lián) 的諸如繼電器54之類的低壓繼電器(如12V汽車?yán)^電器)，該MOSFET在繼電 器線圈(例如，繼電器線圈55)禁用(disable)時(shí)提供隔離以防止泄漏電流(如 預(yù)防泄漏電流通過MOSFET)。該組合使用例如自振蕩半橋驅(qū)動(dòng)器(諸如驅(qū)動(dòng)器 組件52)來提供高壓電容器的預(yù)充電，其中自振蕩半橋驅(qū)動(dòng)器在沒有地的情 況下(如IC芯片浮置)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(yù)充電，預(yù)充 電模塊20或預(yù)充電模塊90將自動(dòng)關(guān)斷。因此，電容器(例如，電容器36)被 預(yù)充電，然后主繼電器(諸如接觸器26)閉合或是被接通以允許電流。例如， 為了預(yù)充電一個(gè)或多個(gè)大電容器，在主繼電器閉合之前，預(yù)充電模塊20或預(yù) 充電模塊90先被激活一時(shí)間段(如200ms)。
雖然已按照各種特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明 白，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以以修改方式來實(shí)踐本發(fā)明。
權(quán)利要求
1. 一種預(yù)充電模塊(20)，包含繼電器(54)；晶體管(64)，其連接至該繼電器；固態(tài)裝置(52)，其連接至該晶體管，該固態(tài)裝置控制該晶體管的切換。
2. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，其中，該晶體管(64)包含金屬氧 化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
3. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊,其中，該固態(tài)裝置(52)包含以50% 占空度驅(qū)動(dòng)該晶體管(64)的柵極(72)的驅(qū)動(dòng)器組件。
4. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，其中，該固態(tài)裝置(52)包含自振 蕩半橋驅(qū)動(dòng)器。
5. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，其中，該固態(tài)裝置(52)包含浮置 地集成電路芯片。
6. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，其中，該繼電器(54)包含具有12 伏額定值的機(jī)電式繼電器。
7. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，進(jìn)一步包含連接在該固態(tài)裝置(52) 的LO輸出和該晶體管(64)的柵極(72)之間的光電耦合器(94)。
8. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，進(jìn)一步包含接地開關(guān)(61)的光電 耦合器(94),該接地開關(guān)連接至該繼電器(54)。
9. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，其中，該繼電器(54)的常開觸點(diǎn) (57)與至少300伏的電源(63)相連接。
10. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，進(jìn)一步包含電阻器(84)和電容器 (82),并且其中，該固態(tài)裝置(52)包含半橋驅(qū)動(dòng)器，該電阻器(84)和該電容器 (82)設(shè)定導(dǎo)通該晶體管(64)的時(shí)間段。
11. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，其中，該晶體管(64)連接至待預(yù) 充電的電容器(36),并且當(dāng)將電容器(36)充電至預(yù)定容量時(shí)，晶體管(64)^皮關(guān) 斷。
12. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，其中，該晶體管(64)連接至高壓 電源(63)。
13. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)充電模塊，還包含連接至該固態(tài)裝置(52)、減小至該固態(tài)裝置的電壓的齊納二極管(73)。
全文摘要
一種固態(tài)預(yù)充電模塊，其包括繼電器、連接至該繼電器的晶體管以及連接至該晶體管的固態(tài)裝置。該固態(tài)裝置控制該晶體管的切換。
文檔編號(hào)H02H9/00GK101461112SQ200780020763
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者約翰·S·考恩, 萊爾·S·布賴恩 申請(qǐng)人:泰科電子公司