CN104953554A - 针对反向电池连接的保护系统 - Google Patents

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Abstract

一种根据实施例的针对反向电池连接的保护系统，包括：控制器，其构造成使用第一DC电压将包括第三方波信号和第四方波信号的第一方波信号输出到变压器的输入端子；变压器，其构造成输出通过变换所述第一方波信号所获得的第二方波信号；整流器，其构造成对所述第二方波信号进行整流以输出第二DC电压；以及晶体管，其构造成使用所述第二DC电压执行针对电池反向连接的保护。

Description

针对反向电池连接的保护系统
技术领域
本公开涉及连接到电动车辆中的电池的、针对反向电池连接的保护系统。
背景技术
近来，环保型车辆，特别是电动车辆由于环境问题而受到关注。
车辆上的用于充电目的的一些电子部件，包括高压电池、为高压电池充电的车载充电器(OBC)、低压电池、负载设备、低压DC-DC转换器(LDC)等。
LDC或OBC用于将高压电池的电压转换成低压以对低压电池充电或传输电力至负载设备。
LDC使用这种电能对低压电池充电并传输电力至负载设备。
在除电动车辆之外的传统车辆中的各种电子部件都使用小功率电池来运行(例如，12V的电池)。
在这种电子部件的情况下，由于小功率电池的更换或操作错误，会发生反向连接，并且反向连接会导致电子部件与小功率电池之间的短路，从而损坏电子部件的电路。
通常，针对反向连接用的高压保护二极管、瞬态电压抑制器或熔丝被用于在小功率电池反向连接时保护电路。
具体地，通常采用如图1a所示的二极管。这种二极管通过在小功率电池反向连接时阻止整个电路的电流来保护电路免于反向连接所导致的损坏。
然而，如图1b所示，在电池以正常正向被连接的情况下，由于发生在针对反向连接的保护电路的二极管中的导电损失，会降低整个系统的电效率。
而且，在使用电动车辆的高容量输出电子部件的情况下，在小功率电池反向连接时会在电子部件和二极管之间发生短路，从而会损坏电路。而且，在OBC或LDC的情况下，其输出端子的电流流向小功率电池，二极管沿电流方向连接，并且针对反向连接的保护电路中的二极管沿与位于OBC或LDC的输出端子处的二极管的方向相反的方向而连接。因此，采用二极管的反向连接保护电路不能被施加于作为高容量输出电子部件的OBC或LDC。
随着其大部分采用电能驱动的环保车辆由于环境问题而引起更多的关注，上述问题变得越来越重要。因此，有必要开发一种技术来防止电动车辆中的电池的反向连接或在电池被反向连接时保护电路。
发明内容
多个实施例提供了一种栅极驱动电路，用于防止电路由于LDC或OBC中的小功率电池的反向连接而损坏，该LDC或OBC是用于环保车辆或电动车辆中的高容量输出电子设备，还提供了一种包括该栅极驱动电路的针对反向电池连接的保护系统，以及一种该保护系统的工作方法。
在一个实施例中，根据实施例的针对反向电池连接的保护系统包括：控制器，其构造成使用第一DC电压输出第一方波信号；变压器，其构造成输出通过变换该第一方波信号所获得的第二方波信号；整流器，其构造成对该第二方波信号进行整流以输出第二DC电压；以及晶体管，其构造成使用该第二DC电压执行针对电池反向连接的保护。
在下面的附图和说明中提及了一个或多个实施例的细节。从该说明书和附图以及从权利要求中，其他特征将是显而易见的。
附图说明
图1是示出包括二极管的针对反向电池连接的传统保护系统的电路图。
图2是示出根据实施例的针对反向电池连接的保护系统的框图。
图3是示出根据实施例的栅极驱动电路的电路图。
图4是示出根据实施例的栅极驱动电路中的每个端子的电压的示意图。
图5是示出根据另一个实施例的栅极驱动电路中的每个端子的电压的示意图。
图6是示出根据实施例的栅极驱动电路的工作方法的流程图。
图7是示出根据实施例的N-MOSFET的结构的示意图。
具体实施方式
根据第一实施例的针对反向电池连接的保护系统包括：控制器，其构造成使用第一DC电压将包括第三方波信号和第四方波信号的第一方波信号输出到变压器的输入端子；变压器，其构造成输出通过变换第一方波信号所获得的第二方波信号；整流器，其构造成对第二方波信号进行整流以输出第二DC电压；以及晶体管，其构造成使用第二DC电压执行针对电池反向连接的保护。
在另一个实施例中，第三方波信号的最大电压可以是第一DC电压，第三方波信号的最小电压可以是0V。
在又一个实施例中，第四方波信号可以相对于第三方波信号具有180度的相位差。
在又一个实施例中，第二方波信号的最大电压可以是第一DC电压，第二方波信号的最小电压可以约是0V。
在又一个实施例中，控制器可以包括具有时钟和计数器的数字信号处理器(DSP)，其中第一至第四方波信号的方波可由该时钟和计数器产生。
在又一实施例中，变压器可以包括初级线圈和次级线圈，其中初级线圈的匝数以及次级线圈的匝数可以是可变的。
在又一实施例中，初级线圈的匝数以及次级线圈的匝数可以改变以施加预设的特定电压作为第二DC电压。
在又一实施例中，该特定电压可以约为15V。
根据第二实施例的针对反向电池连接的保护系统包括：控制器，其构造成使用第一DC电压将包括第三方波信号和第四方波信号的第一方波信号输出到变压器的输入端子；变压器，其构造成输出通过变换第一方波信号所获得的第二方波信号；整流器，其构造成对第二方波信号进行整流以输出第二DC电压；栅极驱动单元，其构造成将第二DC电压输出到晶体管的栅极部，并在电池被反向连接时阻止第二DC电压输出到晶体管的栅极部，栅极驱动单元包括控制器、变压器和整流器；以及晶体管，其构造成在输出的第二DC电压施加到栅极部时使连接到晶体管的两个端子的电池和电子部件之间能够导通，并且在电池被反向连接时使连接到晶体管的两个端子的电池和电子部件之间的电路断开。
在另一个实施例中，第二方波信号和第三方波信号的最大电压可以是第一DC电压，并且第二方波信号和第三方波信号的最小电压可以约是0V。
在又一个实施例中，第四方波信号可以相对于第三方波信号具有180度的相位差。
在又一实施例中，变压器可以包括初级线圈和次级线圈，其中初级线圈的匝数以及次级线圈的匝数可以是可变的。
在又一实施例中，初级线圈的匝数以及次级线圈的匝数可以改变以施加预设的特定电压作为第二DC电压。
在又一实施例中，该特定电压可以约为15V。
下面，将参照附图详细说明多个实施例。然而，本发明构思不限于所提出的实施例，通过附加其他元件或修改或移除元件，可以容易的提出落入本发明构思范围内的其他倒退发明或其他实施例。
相关公知技术的详细说明将在此不提供，以避免不必要的模糊本公开的发明点。而且，在此使用的术语例如“第一”、“第二”等只是为了将一个元件与其他元件区分开。
在此采用的术语可以选自广泛采用的常规术语。然而，一些术语是由申请人任意选择的，并且必要时将详细说明这些术语的含义。因此，应该注意到，不应该基于术语的字面意思而应该基于其含义来理解本公开。
而且，当元件被表示为“连接”或“联接”到另一个元件时，其指的是直接连接或联接到其他元件，但是也可以有中间元件存在它们之间，除非另外指出。
在此采用的术语“包括(include)”、“包括(including)”、“具有(comprise)”和/或“具有(comprising)”不排除存在不同于已经提及的元件或步骤的元件或步骤。
下面，将结合附图来详细说明实施例。为了帮助本公开的理解，同样的附图标记用于同样的元件，而不管图号。
图2是示出根据实施例的针对反向电池连接的保护系统的框图。
参见图2，根据实施例的针对反向电池连接的保护系统包括供电单元100、控制器200、电容器300、变压器400、整流单元500和N型金属氧化物半导体场效应晶体管(N-MOSFET)600。
可以用P型金属氧化物半导体场效应晶体管(P-MOSFET)代替N-MOSFET 600。然而，可以采用另外的晶体管。
供电单元100为控制器200提供高DC电压。
供电单元100可以包括电动车辆中的用于产生高DC电压的任何供电设备，例如，电动车辆的电池或车载充电器(OBC)的输出端。
控制器200包括数字信号处理器(DSP)200。控制器200或DSP 200使用从供电单元100接收的恒压信号产生方波信号。
该方波信号可以包括例如脉宽调制(PWM)信号。使用DSP 200中的时钟信号和计数器信号产生PWM信号。由于该操作对于本领域技术人员是公知的，因此不提供这个操作的详细说明。
电容器300将产生的方波信号传输到变压器400。电容器300在重复充放电时在电容器300的两个端子间保持恒定电压，以便于将通过使控制器200中产生的方波的电压降低了等于电容器300的两个端子之间的电压所获得的方波，传输到变压器400的初级线圈401。
变压器400包括初级线圈401和次级线圈402，并通过变换从电容器300接收的方波而产生变换后的方波。
变压器400采用具有不同匝数的两个线圈，即，初级线圈401和次级线圈402，其中初级线圈401和次级线圈402的匝数比是1∶N(这里N是整数)。
整流单元500包括两个二极管，即，第一二极管和第二二极管，并且将从变压器400接收的变换后的方波输出到N-MOSFET600。
将参照图3说明栅极驱动电路的结构。
供电单元100和控制器或DSP 200设置在端子A和B的左侧。
第一电容器300连接到端子A的左侧，并且初级线圈401连接到电容器300的右侧端子C。
相对于初级线圈401具有1∶N匝数比的次级线圈402位于初级线圈401的右侧。
包括在整流单元中的第一整流器501连接到次级线圈402的上侧端子E的右侧，并且第二整流器502连接到次级线圈402的下侧端子F。
栅极端子连接到第一整流器501的右侧端子G的右侧，并且源极端子连接到位于上侧端子E和下侧端子F之间的中间位置的端子H的右侧。
下面定义了上述端子之间的电压。
电压VA是施加到端子A的输入电压，并且电压VB是施加到端子B的输入电压。
电压VC是从端子A到端子C的电容器300的两个端子之间的电位差，电压V1是从端子C至端子D的初级线圈401的两个端子之间的电位差。
电压V2是端子E和端子H之间的从端子E到端子H的电位差，而电压V3是端子F和端子H之间的从端子F到端子H的电位差。即，电压V2在上侧端子E具有正极性而在下侧端子H具有负极性，并且电压V3在下侧端子F具有正极性而在端子H具有负极性。因此，V2-V3的电压是从次级线圈402的端子E至端子F的电位差。
电压VGS表示栅-源电压。在图3中，电压VGS是从端子G到端子S的电位差。
上述电压满足VA-VB＝VC+V1和V2-V3＝V1×N。
电压VGS具有V2-VD或V3-VD的值。
下面将参照图3至图5说明单个方波，即第一方波，传输到端子A的一个示例。
控制器200使用作为从供电单元100输出的高DC电压的第一DC电压产生一个或两个方波信号，并且将该一个或两个方波信号传输到端子A或B。
图4a至4d是示出DSP 200将一个方波即第一方波传输到端子A的情况的示意图，并且图5a至5d是示出DSP 200将两个方波即第一方波和第三方波分别传输到端子A和端子B的情况的示意图。
图4a中示出了将第一方波施加到图3的端子A的情况，作为端子A的端子电压VA的示例。
具有最大电压Vpwm(V)以及最小电压0(V)的方波可以是第一方波的示例。
而且，第一方波可以具有50％的占空比。占空比表示保持最大电压的期间与方波期间的比。即，如果占空比为50％，则方波的最大电压被保持的期间是方波期间的一半。
返回参见图3，具有施加到端子A的第一方波的电力通过第一电容器300传输到初级线圈401。
图4b示出了初级线圈401的两个端子间的电压V1。
参见图3，施加到端子A的第一方波能通过电容器300的充放电在电容器300的两个端子间产生电压VC，并通过电容器300传输到初级线圈401，其中，初级线圈401的两个端子间的电压V1具有通过从电压VA减去电压VC而获得的波形。
如图4b所示出的，VC＝Vpwm/2(V)的电压被充电，并且在电压VA如图4a所示被输出的情况下，如图4b所示，电压V1具有最大电压Vpwm/2和最小电压-Vpwm/2。
返回参见图3，初级线圈401变换第一方波，以将第二方波输出至次级线圈402。
次级线圈402的电压V2-V3具有V1×N的值，并且图4c示出了关于电压V2和V3的第二方波的示例。
电压V2变为具有最大电压N×Vpwm/2(V)以及最小电压-N×Vpwm/2(V)的第二方波，并且电压V3变为具有与电压V2的最大电压和最小电压相同的最大电压和最小电压的第二方波。
然而，如图4c所示出的，电压V2和电压V3具有180度的相位差，并且满足V2＝-V3。即，电压V2的波形与电压V3的第二方波的波形相对于时间轴对称。
即，电压V2和V3具有相同的幅度，但在特定时间时具有相反的符号。
返回参见图3，第一整流器501只允许电流从端子E流向端子G，并且第二整流器502只允许电流从端子F流向端子G。然而，第一整流器501阻止从端子G流向端子E的电流，并且第二整流器502阻止从端子G流向端子F的电流。
即，如果电压V2在特定时间时具有正值，则第一整流器501将传输到次级线圈402的具有第二方波的电力传输到位于第一整流器501的右侧的栅极端子，并且，如果电压V3在特定时间时具有负值，则第二整流器502断开端子F和端子G之间的电路，使得电流不在这之间流动。
相反的，如果电压V2在特定时间时具有负值，则第一整流器501断开端子E和端子G之间的电路，使得电流不在这之间流动，并且，如果电压V3在特定时间时具有正值，则第二整流器502将具有DC电压的电力传输到位于第二整流器502的右侧的栅极端子，该DC电压通过将第二方波的最大电压降低等于二极管下降电压VD所获得。
通过次级线圈402和第一整流器501输出到栅极端子的电力具有端子G和端子S之间的电压VGS。
关于电压VGS，通过第一整流器501整流和提供的DC电压，被限定为第二DC电压。
第二DC电压具有通过从第二方波的最大电压值减去二极管下降电压所获得的值。
图4d中示出了第二DC电压即电压VGS的值。
即，由栅极驱动电路输出的栅极端子的栅极电压VGS具有N×Vpwm/2-VD(V)的值。
而且，可以调节变压器400的匝数N，以使电压VGS满足VGS＝15(V)。
下面参照图3和图5说明通过经由供电单元100和DSP 200输出第一方波和第三方波并且通过将第一方波和第二方波分别传输到端子A和端子B来产生栅极驱动电压的方法。
没有提供与通过仅仅将第一方波传输到端子A来驱动栅极电压的方法重复的说明。
参见图3，第一方波被传输到端子A，并且第三方波被传输到端子B。
如图5a所示，图5a的电压与图4a的电压相同。然而，与图4a的电压VB不同，图5a的电压VB具有相对于电压VA具有180度的相位差的第三方波。
返回参见图3，具有经由端子A和B传输的第一方波和第三方波的电力，经由电容器300，作为具有电压V1的电力被传输到初级线圈401。
这里，如图5b所示，初级线圈401的两个端子之间的电压V1具有最大电压Vpwm(V)以及最小电压-Vpwm(V)。
返回参见图3，初级线圈401变换第一方波，以将具有第二方波的电力输出到次级线圈402。
图5c中示出了次级线圈402的电压V2和V3的波形。
即，电压V2具有如下方波的形式：其具有最大电压N×Vpwm(V)以及最小电压-N×Vpwm(V)。
第一整流器501和第二整流器502整流传输到次级线圈402的具有第二方波的电力，以将具有第二DC电压的电力输出到栅极端子。
这里，栅极端子的电压VGS具有值N×Vpwm-VD(V)的值。
即，相比于仅仅将第一方波输出到端子A的情况，可输出增加至等于N×Vpwm(V)的栅极驱动电压。
下面，将参照图6说明根据实施例的栅极电压驱动方法。
控制器200从供电单元100接收第一DC电压(S601)。
在接收到第一DC电压时，控制器200使用第一DC电压产生第一方波并且输出具有第一方波的电力(S602)。
在另一个实施例中，控制器200可以使用第一DC电压产生第一方波和第三方波，并且可以输出分别具有第一方波和第三方波的电力。
控制器200可以使用第一DC电压仅仅产生第一方波，但是也可以使用第一DC电压产生第一方波和第三方波，并可以输出具有第一方波和第三方波的电力。
在接收到第一方波时，变压器400基于初级线圈401和次级线圈402之间的匝数比将第一方波转换成第二方波，以将具有第二方波的电力输出到整流器500(S603)。
在控制器200不仅输出第一方波而且还输出第三方波的情况下，变压器400可以将第一方波和第三方波都施加到的初级线圈侧的电压转换成第二方波，以使具有第二方波的电力输出到整流器500。
在接收到第二方波时，整流器500整流第二方波，以将具有第二DC电压的电力输出到栅极端子(S604)。
当接收到具有第二DC电压的电力时，包括栅极端子的N-MOSFET 600被驱动以执行针对反向电池连接的保护操作(S605)。
下面，结合图7说明使用N-MOSFET 600的反向电池连接防止系统的工作方法。
当经由栅极驱动电路产生栅极电压时，N-MOSFET 600被接通，以使电流可以在设置于N-MOSFET 600两侧的电池和电子部件(例如，OBC或LDC)之间流动。
然而，只要电池被正常连接，电流就流动。
相反地，如果电池被反向连接，则栅极驱动电路不会驱动栅极电压到栅极端子，并且N-MOSFET 600被关断，以使通过针对反向电池连接的保护系统而阻止电流。
根据本公开的实施例，不需要单独的电压就可驱动针对反向电池连接的保护电路的N-MOSFET的驱动电压，并且方波的最大电压(PWM电压)可任意设置，以使得容易地执行系统的电力管理。
而且，根据本公开的实施例，通过变压器来隔离高DC电压电力，以使得根据变压器的设计，实施例可以容易应用到高压系统中。
尽管参照其多个示出的实施例说明了多个实施例，但应该理解的是，本领域技术人员可以想出将落入本公开原理的精神和范围中的多种其他的修改和实施例。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内，对主体组合布置的构成部件和/或布置的各种改变和修改是可能的。除了对于构成部件和/或布置的改变和修改之外，可选的应用对于本领域技术人员来说也将是显而易见的。

Claims (14)

1.一种针对反向电池连接的保护系统，包括：
控制器，其构造成使用第一DC电压将包括第三方波信号和第四方波信号的第一方波信号输出到变压器的输入端子；
所述变压器，其构造成输出通过变换所述第一方波信号所获得的第二方波信号；
整流器，其构造成对所述第二方波信号进行整流以输出第二DC电压；以及
晶体管，构造成使用所述第二DC电压执行针对电池的反向连接的保护。
2.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述第三方波信号的最大电压是所述第一DC电压，而所述第三方波信号的最小电压是0V。
3.根据权利要求2所述的保护系统，其中所述第四方波信号相对于所述第三方波信号具有180度的相位差。
4.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述第二方波信号的最大电压是所述第一DC电压，而所述第二方波信号的最小电压约是0V。
5.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述控制器包括具有时钟和计数器的数字信号处理器，其中所述第一至第四方波信号的方波由所述时钟和计数器产生。
6.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，其中所述初级线圈的匝数以及所述次级线圈的匝数是可变的。
7.根据权利要求6所述的保护系统，其中所述初级线圈的匝数以及所述次级线圈的匝数被改变以施加预设的特定电压作为第二DC电压。
8.根据权利要求7所述的保护系统，其中所述特定电压约为15V。
9.一种针对反向电池连接的保护系统，包括：
控制器，其构造成使用第一DC电压将包括第三方波信号和第四方波信号的第一方波信号输出到变压器的输入端子；
所述变压器，其构造成输出通过变换所述第一方波信号所获得的第二方波信号；
整流器，其构造成对所述第二方波信号进行整流以输出第二DC电压；
栅极驱动单元，其构造成将所述第二DC电压输出到晶体管的栅极部，并在电池被反向连接时阻止所述第二DC电压输出到所述晶体管的栅极部，所述栅极驱动单元包括所述控制器、所述变压器和所述整流器；以及
所述晶体管，其构造成在输出的第二DC电压施加到所述栅极部时使连接到所述晶体管的两个端子的电池和电子部件之间能够导通，并且在所述电池被反向连接时使连接到所述晶体管的两个端子的电池和电子部件之间的电路断开。
10.根据权利要求9所述的保护系统，其中所述第二方波信号和第三方波信号的最大电压是所述第一DC电压，并且所述第二方波信号和第三方波信号的最小电压约是0V。
11.根据权利要求10所述的保护系统，其中所述第四方波信号相对于所述第三方波信号具有180度的相位差。
12.根据权利要求9所述的保护系统，其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，其中所述初级线圈的匝数和所述次级线圈的匝数是可变的。
13.根据权利要求12所述的保护系统，其中所述初级线圈的匝数以及所述次级线圈的匝数被改变以施加预设的特定电压作为第二DC电压。
14.根据权利要求13所述的保护系统，其中所述特定电压约为15V。
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