CN101461112A - 固态预充电模块 - Google Patents

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Abstract

一种固态预充电模块，其包括：继电器、连接至该继电器的晶体管以及连接至该晶体管的固态装置。该固态装置控制该晶体管的切换。

Description

固态预充电模块
技术领域
本发明一般涉及电气继电器，尤其涉及用于电气负载的预充电组件。
背景技术
继电器是基于所施加的电流而开路和闭合的电开关。对于不同类型的应用或基于具体的操作参数可使用不同的继电器。通常继电器是电磁或固态类型。在高压应用中，继电器必须被设计为可处理高压的影响。例如，混合动力电动汽车(HEV)中可能会提供非常大的集成电容器(诸如大于2000微法(μF))以给一个或多个负载提供电源。为避免接通电源时施加给继电器触点的破坏性的浪涌电流(inrush current)，必须对这种类型应用中的电容器预充电。本质上，当向未充电的电容器施加电源时，过量的电流涌向电容器。如果未提供预充电电路，那么大的浪涌电流可导致电容器的过热，并降低其寿命。大的浪涌电流还可能损坏将电源切换给电容器的继电器触点。此外，如果没有提供预充电电路，那么将需要非常大的主隔离继电器(maindisconnect relay)，并且在没有预充电电路的情况下，系统的保险丝也会更易于且更经常地被切断。
目前，在这些高压应用中，通常预充电模块是能够切换大电压(诸如300V～600V)的机电式继电器。预充电模块用来与电阻器串联横跨在接触器的主触点上以给电容器预充电。然而，这些高压电磁预充电模块非常贵，并且通常尺寸较大。因此，问题是系统的总成本增加，并且包括该继电器的模块的尺寸也可能较大，因而限制了用于其它组件的空间。
发明内容
通过本公开的预充电模块提供了解决方案，该预充电模块包括：继电器、连接至该继电器的晶体管以及连接至该晶体管的固态装置。该固态装置控制该晶体管的切换。
附图说明
参考附图，现将通过例子的方式描述本发明，其中：
图1是根据示例性实施例所形成的、控制到负载的电源的预充电电路的示意图。
图2是基于继电器预充电图解示例性浪涌电流的图形。
图3是根据示例性实施例所形成的预充电模块的原理图。
图4是根据另一个示例性实施例所形成的预充电模块的原理图。
具体实施方式
图1是示出一预充电电路的原理图，该预充电电路具有根据各种示例性实施例所形成的、控制到负载的电源的预充电模块20。预充电模块20可以是固态类型，并被配置为与预充电电阻器22(例如10欧姆(10Ω)预充电电阻器)相串联的固态模块，它们一起跨接在接触器26的触点24上。在所图解的实施例中，接触器26是主继电器或主接触器，用于切换对负载(如混合动力电动汽车中的负载)的通电和断电。由接触器26接通及断开的电源可以是来自于不同类型的电源，例如，来自于燃料电池、蓄电池、发电机等。应该注意的是，尽管结合具体应用或为了具体用途来描述预充电模块20，但是各种实施例并非如此有限，预充电模块20可用于任何其中需要或是期望预充电的应用中。
在操作中，预充电模块20预充电一个或多个电容器36。电容器36可很大，诸如1000微法(μF)或2000μF，预充电模块20将预充电的电压地(pre-charge voltage ground)(如12V地)与总电源电压地(full powervoltage ground)(如300V地或600V地)隔离。当将地(ground)施加给预充电模块20时，预充电模块20接通以给电容器36预充电；当电容器36已达到预定的预充电电平时，预充电模块20切断(允许接触器26接通)，所述预定的预充电电平例如：大于电容器36的总电荷容量的大约80％、大于电容器36的总电荷容量的大约90％、大于电容器36的总电荷容量的大约95％、大于电容器36的总电荷容量的大约96％、电容器36的总电荷容量的大约99％(其可被视为已充满)等。然而，预充电继电器20可配置为允许电容器36达到高于或是低于所描述电平的任何预定的预充电电平。
图2中所示是基于继电器预充电百分比来图解示例性浪涌电流的图形40。图形40定义了横跨水平轴的充电时间以及横跨垂直轴的以安培表示的浪涌电流。曲线42代表对于所图解的电容器36在百分之八十(80％)最小预充电之处的浪涌电流；曲线44代表对于所图解的电容器36在百分之九十(90％)标称(nominal)预充电之处的浪涌电流。应该注意的是，曲线42的最大浪涌电流大约是650安培，而曲线44的最大浪涌电流大约是350安培。应该理解，浪涌电流和充电时间依赖于各种不同的因素，包括：例如，电源的功率、电容器36的类型和容量等。因此，基于电容器36的充电特性，可对预充电模块20进行不同的配置来给电容器36预充电。
图3是根据所示的示例性实施例所形成的预充电模块20的原理图。预充电模块20被配置为固态预充电模块，其包括固态装置(更具体地，包括固态驱动器组件52)以及继电器54，继电器54在所图解的实施例中是集成的隔离机电式继电器。例如，示例性实施例中的驱动器组件52是自振荡半桥(half-bridge)驱动器，诸如从加州E1 Segundo的国际整流器公司可得到的IR2153S驱动器。该实施例中的继电器54是标准的12伏(12V)继电器，例如，12V的汽车级机电式继电器。然而，根据应用可使用具有不同额定电压的不同类型的继电器。
继电器54的继电器线圈55的一端通过二极管56连接至低压电源58，例如12伏(12V)电源(如12V车用电池)，继电器54的继电器线圈55的另一端连接至切换到地60的开关61，并且当该开关61未切换至地60时(如没有电流)，其被开路以提供隔离。二极管56操作用于阻挡反向电流，例如，如果电源反向地(如相反的极性)连接至继电器54。同样，二极管62跨接在继电器54的线圈55上。二极管62操作用于在工作期间再循环电源(recirculate power)以最小化瞬变现象。
继电器54可操作地将来自于例如300伏电源(如300V的混合动力电动汽车电源组)的高压电源63的电源切换至晶体管64。具体地，低压电源58连接至继电器线圈55，且高电压电源63连接至常开触点57(图4中所示的管脚5)，其当被通电时闭合。当常开触点57闭合时，连接被安排到地，且电源通过可动触点59(如图4中所示的可动触点59的管脚4)提供给晶体管64(Q1)和驱动器组件52，其中该晶体管64(Q1)在所图解实施例中为金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。在操作中，将来自于高压电源63的高压提供给晶体管64，并且将由齐纳二极管73(D3)所限制或钳位的减小后的电压(如15V～18V)提供给驱动器组件52。应该注意的是，横跨电阻器76(R3)下降了非常大的电压(如285伏)。
驱动器组件52通过电阻器80(R1)连接至MOSFEF的栅极72，在所图解实施例中所述驱动器组件为具有以下管脚配置的八脚IR2153S芯片：
Vcc     逻辑与内部门驱动电源电压
RT      振荡器定时电阻器输入
CT      振荡器定时电容器输入
COM     公共端(Vcc电压的基准)
LO      低压端(low side)的栅极驱动器输出
Vs      高压浮动电源返回
HO      高压端(high side)的栅极驱动器输出
VB      高压端(high side)的栅极驱动器浮动电源在该实施例中，驱动器组件52的LO管脚未连接，驱动器组件52的COM管脚连接至晶体管64的源极70。驱动器组件52的Vs管脚连接至驱动器组件52的COM管脚。电容器75为Vcc电源提供15伏，并作为驱动器组件52的Vs管脚的基准。此外，由于齐纳二极管73将作为驱动器组件52的COM管脚的基准的电压钳位在例如15V，所以横跨电阻器76有很高的电压降，该钳位电压给电容器75充电，并且通过二极管78(D5)被提供给驱动器组件52的VB管脚。当晶体管64的源极70的电压(其为COM管脚的电压)接近晶体管64的漏极66的电压时，驱动器组件52关断。应该理解的是，如果使用不同的驱动器组件52，那么可安排不同的连接以提供如在此所描述的预充电模块20的操作。
因此，在操作中，图3中的电流由箭头示出，且驱动器组件52控制晶体管64的导通或关断，以使得在所图解的实施例中当晶体管64的源极70的电压接近MOSFET的漏极66的电压时MOSFET被关断。因此，当电容器36被预充电至预定的电平时(其可能是接近如下面描述的已充满(如总容量的99％))，预充电模块20关断。
本质上，驱动器组件52提供了浮置地(floating ground)以使得低压电源58和高压电源63之间没有连接。驱动器组件52包括具有前置振荡器(front end oscillator)的半桥栅极驱动器(half-bridge gate driVer)，该前置振荡器以百分之五十(50％)占空度(duty cycle)振荡。电容器82和电阻器84的值确定占空度的频率(如1千赫兹(kHz))。
使用图4中图解的实施例作为例子，一旦通过例如低压电源58将继电器54通电，那么来自于高压电源63(如300V)的电压通过继电器触点(例如，从常开触点57通过可动触点59)被施加给晶体管64。由二极管73钳位/限制一较低的电压(如15V～18V)，并且以公共端(例如，驱动器组件52的COM管脚)为基准将其施加给驱动器组件52的Vcc管脚。在延迟由电容器82(C1)和电阻器84(R2)所确定的预定时间段之后，晶体管64将被驱动器组件52开启并且通过预充电电阻器22(图1中所示)提供300V来开始由MOSFET提供的预充电。
电容器36的延迟和充电时间可基于例如应用、电容器等编程和配置。根据预充电电阻器22和电容器36的时间常数可选择电容器82和电阻器84的值。例如，如果预充电电阻器22和电容器35的值分别是10欧姆和2000微法，那么充电时间常数为10×2000＝20ms。在接触器26(图1中所示)闭合之前，本例中需要3倍的时间常数60ms来将2000微法的电容充电至充电电压(其在图3所图解的应用中为300V)的95％。因此，可配置为固态预充电模块的预充电模块20的延迟和充电时间必须大于60ms以允许期望或要求的预充电。
当电容器36被预充满时，即使继电器54仍然被通电，驱动器组件52也将停止驱动晶体管64(如MOSFET)的栅极72，因此停止了电容器36的充电。然后，继电器54可在没有电流流动的情况下被断电。当电流在流动时继电器54将不会被通电或断电。因此，可利用常规的12V汽车机电式继电器。接触器26直到电容器36被预充电后才闭合。当达到如在此所描述的要求或期望的预充电时(如电容器36的99％预充电)，预充电模块20自动关断。
图4是根据另一个示例性实施例所形成的预充电模块90的原理图。预充电模块90类似于预充电模块20，其中，相同的数字代表相同的组件。然而，预充电模块90还包括连接在晶体管64的栅极72和源极70之间的电阻器92。与电阻器80相组合的电阻器92确保了晶体管64基于驱动器组件52的振荡来急剧地导通或关断。
此外，预充电模块90包括连接在驱动器组件52的LO管脚和MOSFET的栅极72之间的光电耦合器94。在所图解的实施例中，光电耦合器94是光电耦合器或光电继电器，诸如从纽约的东芝美国分公司(东芝企业)可得到的TLP222G光电耦合器/光电继电器。光电耦合器94提供用以关断晶体管64的保护，例如，如果继电器线圈电压中发生突然中断(如预充电模块20或90被开启，然后很快地被关断)。例如，如果继电器线圈55的电压中发生突然中断，那么光电耦合器94关断MOSFET以停止电流，防止继电器54的触点再次开路。当继电器54闭合时晶体管64传送电流。在操作中，当开关61切换至地60时，光电耦合器94闭合且在继电器54闭合之前闭合，以使得如果需要，光电耦合器可再次打开。本质上，光电耦合器94提供了安全预防，并保护继电器触点以确认当触点打开时没有电流流过。
应该注意的是，图4中也图解了继电器54的组件部分。确切地说，除了继电器线圈55之外，还示出了继电器开关96。预充电模块90的操作与预充电模块20相同。预充电模块20和预充电模块90两者均包括与MOSFET串联的诸如继电器54之类的低压继电器(如12V汽车继电器)，该MOSFET在继电器线圈(例如，继电器线圈55)禁用(disable)时提供隔离以防止泄漏电流(如预防泄漏电流通过MOSFET)。该组合使用例如自振荡半桥驱动器(诸如驱动器组件52)来提供高压电容器的预充电，其中自振荡半桥驱动器在没有地的情况下(如IC芯片浮置)工作以提供低压电源58(例如，12电源的地)和高压电源63(例如，600V或300V的电源)之间的隔离。一旦电容器已预充电，预充电模块20或预充电模块90将自动关断。因此，电容器(例如，电容器36)被预充电，然后主继电器(诸如接触器26)闭合或是被接通以允许电流。例如，为了预充电一个或多个大电容器，在主继电器闭合之前，预充电模块20或预充电模块90先被激活一时间段(如200ms)。
虽然已按照各种特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应该明白，在权利要求的范围内可以以修改方式来实践本发明。

Claims (13)

1.一种预充电模块(20)，包含：
继电器(54)；
晶体管(64)，其连接至该继电器；
固态装置(52)，其连接至该晶体管，该固态装置控制该晶体管的切换。
2.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该晶体管(64)包含金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该固态装置(52)包含以50％占空度驱动该晶体管(64)的栅极(72)的驱动器组件。
4.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该固态装置(52)包含自振荡半桥驱动器。
5.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该固态装置(52)包含浮置地集成电路芯片。
6.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该继电器(54)包含具有12伏额定值的机电式继电器。
7.如权利要求1所述的预充电模块，进一步包含连接在该固态装置(52)的LO输出和该晶体管(64)的栅极(72)之间的光电耦合器(94)。
8.如权利要求1所述的预充电模块，进一步包含接地开关(61)的光电耦合器(94)，该接地开关连接至该继电器(54)。
9.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该继电器(54)的常开触点(57)与至少300伏的电源(63)相连接。
10.如权利要求1所述的预充电模块，进一步包含电阻器(84)和电容器(82)，并且其中，该固态装置(52)包含半桥驱动器，该电阻器(84)和该电容器(82)设定导通该晶体管(64)的时间段。
11.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该晶体管(64)连接至待预充电的电容器(36)，并且当将电容器(36)充电至预定容量时，晶体管(64)被关断。
12.如权利要求1所述的预充电模块，其中，该晶体管(64)连接至高压电源(63)。
13.如权利要求1所述的预充电模块，还包含连接至该固态装置(52)、减小至该固态装置的电压的齐纳二极管(73)。
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