CN105682998A - 电力分配单元和电力分配系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种制造成本低并且用于采用多电压的车辆的电力分配装置和电力分配系统。在该电力分配装置(20)的情况下，多个电路单元(30)的、均包括N通道场效应晶体管的半导体开关(31)分别安置在第一电源单元(11)与多个负载(L)之间。由第二电源单元(12)输出的第二电压(V2)是比由第一电源单元(11)输出的第一电压(V1)高的电压，并且能够用于多个半导体开关(31)的接通控制。用于多个半导体开关(31)的接通/断开控制的控制信号输入到控制单元(40)。然后，根据控制信号，电源控制电路(33)将要接通的半导体开关(31)的栅极端子(G)连接到第二电源单元(12)，并且将要断开的半导体开关(31)的栅极端子(G)从第二电源单元(12)断路。

Description

电力分配单元和电力分配系统
技术领域
本发明涉及一种安装在车辆上的电力分配单元和电力分配系统。
背景技术
近年来，为了提高环境性能而采用了发动机怠速停止/重启系统的车辆的数量日益增加。于是，对于所述这样的车辆，除了传统安装的12-V系统电压电源之外，采用诸如48-V系统电压电源这样的高电压电源以提高发动机重启时的效率的多电压使用日益增加。
同时，传统地，通过接通/断开控制设置在诸如电池这样的电源部与各个负载之间的电磁继电器而实现了对安装在车辆上的各个负载的电力供给。于是，近年来，提出了采用半导体开关代替电磁继电器，以实现小型化和高速开关控制的结构(例如，参见专利文献1)。
例如，在专利文献1中描述的车辆电力分配单元801中，如图3所示，将电力MOSFET810作为半导体开关设置在电源部850与负载860之间(即，在所谓的高侧(负载的上游))，以控制电力供给。对于这样的用于电力供给的半导体开关，因为要求低的导通电阻以使电力损失或发热最小化，所以通常采用了N通道场效应晶体管，并且因此，在上述的车辆电力分配单元801中也采用了作为N通道场效应晶体管的电力MOSFET810。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP10-126963A
发明内容
技术问题
然而，在作为N通道场效应晶体管的电力MOSFET810中，虽然通过设置在栅极端子G与源极端子S之间的栅极电压VGS而进行导通，但是因为在导通时，漏极端子D的电压和源极端子S的电压用作从电源部850提供的电源电压，所以导通所需的栅极电压VGS比电源电压高大约10V。因此，为了获得比电源电压高的栅极电压VGS，需要电荷泵电路，这引起制造成本增加的问题。并且包括电荷泵电路和N通道场效应晶体管的智能电力装置(IPD)也面临着相似的问题。
本发明的目的是解决上述问题。具体地，本发明的目的是提供一种在采用多电压的车辆中使用并且能够降低制造成本的电力分配单元和电力分配系统。
解决问题的方案
为了实现该目的，根据第一方面的本发明是一种电力分配单元，该电力分配单元安装在包括输出第一电压的第一电源部和输出第二电压的第二电源部的车辆上，并且控制对安装在所述车辆上的多个负载的电力供给，并且该电力分配单元包括：多个N通道场效应晶体管，其分别设置在所述第一电源部与所述多个负载之间，并且通过被控制为接通或断开而独立地将所述多个负载分别连接到所述第一电源部或者与所述第一电源部断开；控制信号输入部，其用于接收控制信号，所述控制信号给出用于对所述多个场效应晶体管中的一个或多个进行接通/断开控制的指令；和电源控制部，其设置在所述第二电源部与所述多个场效应晶体管的各个控制端子之间，所述电源控制部将由所述控制信号输入部接收到的所述控制信号给出了接通控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子连接到所述第二电源部，并且将由所述控制信号给出了断开控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子与所述第二电源部断开，其中，所述第二电压是比所述第一电压高的电压，并且能够控制所述多个场效应晶体管接通。
为了实现该目的，根据第二方面的本发明是一种用于控制对多个负载的电力供给的车辆的电力分配系统，包括：用于输出第一电压的第一电源部；多个N通道场效应晶体管，其分别设置在所述第一电源部与所述多个负载之间，并且通过被控制为接通或断开而单独地将所述多个负载分别连接到所述第一电源部或与所述第一电源部断开；用于输出第二电压的第二电源部，所述第二电压是比所述第一电压高的电压，并且能够控制所述多个场效应晶体管为接通；控制信号输入部，其用于接收控制信号，所述控制信号给出用于对所述多个场效应晶体管中的一个或几个进行接通/断开控制的指令；和电源控制部，其设置在所述第二电源部与所述多个场效应晶体管的各个控制端子之间，所述电源控制部将由所述控制信号输入部接收到的所述控制信号给出了接通控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子连接到所述第二电源部，并且将由所述控制信号给出了断开控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子与所述第二电源部断开。
发明的有益效果
根据本发明，多个N通道场效应晶体管分别设置在第一电源部与多个负载之间。多个场效应晶体管通过被控制为接通或断开而单独地将多个负载分别连接到第一电源部或与第一电源部断开。从第二电源部输出的第二电压是比从第一电源部输出的第一电压高的电压，并且能够控制多个场效应晶体管为接通。控制信号输入部接收控制信号，该控制信号给出对多个场效应晶体管中的一个或几个进行接通/断开控制的指令。然后，电源控制部将由控制信号输入部接收到的控制信号给出了接通控制指令的场效应晶体管的控制端子连接到第二电源部，并且将给出了断开控制指令的场效应晶体管的控制端子从第二电源部断路。
作为上述布置的结果，在控制多个场效应晶体管中的每个接通时，控制端子连接到第二电源部，使得能够控制场效应晶体管接通的第二电压施加到控制端子，从而使多个场效应晶体管中的各个场效应晶体管接通。并且，在控制各个场效应晶体管断开时，控制端子与第二电源部断开，使得能够控制场效应晶体管接通的第二电压并不施加到控制端子，从而使各个场效应晶体管断开。因此，不需要电荷泵电路，这使得制造成本降低。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个优选实施例的电力分配系统的示意性构造的视图。
图2是示出图1所示的电力分配系统中所包含的电力分配单元的示意性构造的视图。
图3是示出传统的电力分配单元的示意性构造的视图。
参考标记列表
1电力分配系统
11第一电源部
12第二电源部
20电力分配单元
30电路部
31半导体开关(N通道场效应晶体管)
32熔断器
33电源控制电路(电源控制部)
34齐纳二极管
35第一晶体管
36第一固定电阻器
37第二晶体管
38第二固定电阻器
40控制部(控制信号输入部)
V1第一电压
V2第二电压
具体实施方式
下面将参考图1和图2描述根据本发明的一个优选实施例的电力分配系统。
图1是示出根据本发明的一个优选实施例的电力分配系统的示意性构造的视图。图2是示出图1所示的电力分配系统中所包含的电力分配单元的示意性构造的视图。
例如，电力分配系统安装在诸如汽车这样的车辆上，并且控制对于多个负载诸如由安装在车辆上的12-V系统电压电源驱动的电气装备的电力供给。在车辆中，例如，采用了发动机怠速停止/重启系统，并且除了传统安装的12-V系统电压电源之外，还安装了作为用于提高发动机重启时的效率的高电压电源的48-V系统电压电源。
如图1所示，根据该优选实施例的电力分配系统1包括第一电源部11、第二电源部12和多个电力分配单元20。
第一电源部11包括例如提供12-V输出的电池单元，并且通过将在稍后描述的电力分配单元20将12V的电压(第一电压V1)供给到由12-V系统电压电源驱动的多个负载L。
第二电源部12包括例如提供48-V输出的电池单元，并且将48V的电压(第二电压V2)供给到图中未示出的发动机启动器等。此外，第二电压V2也供给到将在稍后描述的电力分配单元20。由于从第二电源部12输出的第二电压V2是48V，所以第二电压V2是比从第一电源部11输出的12V的第一电压V1高的电压，并且能够控制将在稍后描述的电力分配单元20中包含的半导体开关31接通。
如图2所示，电力分配单元20控制从第一电源部11到多个负载L[1]-L[n](n是不小于2的自然数)的电力供给。电力分配单元20包括多个电路部30[1]-30[n]和控制部40。多个电路部30[1]-30[n]设置成分别对应于多个负载L[1]-L[n]。
电路部30包括半导体开关31、熔断器32和电源控制电路33。
半导体开关31是作为N通道场效应晶体管的电力MOSFET。半导体开关31的漏极端子D连接于第一电源部11，并且半导体开关31的源极端子S通过熔断器32连接于多个负载L之中的相对应的负载。此外，作为半导体开关31的控制端子的栅极端子G连接于用作电源控制部的电源控制电路33。从第一电源部11输出的第一电压V1(12V的电压)通过半导体开关31的漏极端子D-源极端子S供给到负载L。通过电源控制电路33控制半导体开关31接通或断开。也就是说，半导体开关31设置在第一电源部11与各个负载L之间，并且通过控制半导体开关31接通或断开而将负载L连接于第一电源部11或者将负载L与第一电源部11断开。另外，注意：具有温度保护功能的装置可以用作半导体开关31。
电源控制电路33包括齐纳二极管34、第一晶体管35、第一固定电阻器36、第二晶体管37、和第二固定电阻器38。
齐纳二极管34连接在半导体开关31的栅极端子G与源极端子S之间。齐纳二极管34将栅极端子G与源极端子S之间的电压钳位在大约10[V]，并且当过电压施加于栅极G时，使栅极G旁路。预先确定半导体开关31的栅-源电压的最大电压比齐纳二极管ZD的齐纳电压足够地大。
第一晶体管35是NPN晶体管，并且具有：集电极端子C，其通过第一固定电阻器36连接于将在稍后描述的第二晶体管37的基极端子B；连接于地面G的发射极端子E；和基极端子B，其连接于将在稍后描述的控制部40的输出端口P。
第二晶体管37是PNP晶体管，并且具有：发射极端子E，其连接于第二电源部12；和集电极端子C，其通过第二固定电阻器38连接于半导体开关31的栅极端子G。
控制部40包括例如嵌入式微型计算机。微型计算机由内置于其中的CPU、ROM、RAM等构成，并且负责整个电力分配单元20的控制。在ROM中，预先存储了使CPU用作各种手段的控制程序，使得CPU响应于控制程序的执行而用作上述各种手段。
控制部40包括分别对应于多个电路部30[1]-30[n]的多个输出端口P[1]-P[n]。多个输出端口P[1]-P[n]中的每一个都连接到在多个电路部30[1]-30[n]之中的对应一个电路部中所包括的电源控制电路33的第一晶体管35的基极端子B。控制部40单独并且独立地通过多个输出端口P[1]-P[n]将电流供给到分别在多个电路部30[1]-30[n]中包括的电源控制电路33的第一晶体管35的各个基极端子B。
控制部40包括通信端口CAN。通信端口CAN连接于图中未示出的车载网络(例如，控制器局域网(CAN))，并且通过车载网络连接于负责整个车辆的控制的、图中未示出的电子控制单元(ECU)。控制部40通过车载网络从电子控制单元接收控制信号，该控制信号给出用于对多个电路部30[1]-30[n]中所包括的多个半导体开关31中的一个或几个进行接通/断开控制的指令。控制部40是控制信号输入部的一个实例。
接着，将描述上述电力分配系统1的操作的一个实例。
例如，当操作与多个负载L中的特定负载L(在下文中称为“负载L[k]”；k是1与n之间的自然数)相对应的操作开关时，安装在车辆上的、图中未示出的电子控制单元通过车载网络将电报信息(即，控制信号)发送到控制负载L[k]的电力供给的电力分配单元20。例如，电报信息包括：(i)用于识别与负载L[k]对应的电路部30[k]的识别信息，和(ii)用于给出控制(接通/断开控制)电路部30[k]的指令的控制信息。电报信息可以包括多个上述识别信息和对应于多个识别信息的多个控制信息。换句话说，可以利用单一电报信息给出用于控制对多个负载L的电力供给的指令。
然后，接收到电报信息的电力分配单元20的控制部40识别出由电报信息中的识别信息指示的电路部30[k]，并且通过输出端口P[k]控制如在控制信息中所指示的识别出的电路部30[k]。
更具体地，在控制信息指示“接通控制”的情况下，控制部40将电流从输出端口P[k]供给到电路部30[k]的电源控制电路33。
随后，在电源控制电路33中，当将电流从控制部40的输出端口P[k]供给到第一晶体管35的基极端子B时，第一晶体管35接通(变为导通)，并且电流从第二晶体管37的基极端子B流向地面G，使得第二晶体管37接通。结果，第二电源部12与半导体开关31的栅极端子G互相连接，并且半导体开关31的栅极端子G与源极端子S之间的电压VGS通过齐纳二极管34而变为大约10[V]，使得半导体开关31接通。因此，第一电源部11与负载L[k]互相连接。
并且，在控制信息指示“断开控制”的情况下，控制部40中断从输出端口P[k]流到向电路部30[k]的电源控制电路33的电流。
于是，在电源控制电路33中，当从控制部40的输出端口P流向第一晶体管35的基极端子B的电流中断时，第一晶体管35断开(断路)，并且从第二晶体管37的基极端子B流向地面G的电流中断，使得第二晶体管37断开。结果，第二电源部12与半导体开关31的栅极端子G互相断开，并且半导体开关31的栅极端子G与源极端子S之间的电压VGS变为大约0V，使得半导体开关31断开。因此，第一电源部11与负载L[k]互相断路。
如上所述，根据该优选实施例，分别在多个电路部30中包括的N通道场效应晶体管的多个半导体开关31分别设置在第一电源部11与多个负载L之间。通过控制多个半导体开关31接通或断开而单独将多个负载L分别连接到第一电源部11或者与第一电源部11断开。从第二电源部12输出的第二电压V2是比从第一电源部11输出的第一电压V1高的电压，并且能够控制多个半导体开关31接通。控制部40接收电报信息(控制信号)，该电报信息给出用于对多个半导体开关31中的一个或几个进行接通/断开控制的指令。然后，电源控制电路33将由控制部40接收到的电报信息给出了接通控制指令的半导体开关31的栅极端子G连接到第二电源部12，并且将给出了断开控制指令的半导体开关31的栅极端子G与第二电源部12断开。
作为上述布置的结果，在控制多个半导体开关31中的各个半导体开关接通时，栅极端子G连接于第二电源部12，使得能够控制半导体开关31接通的第二电压V2施加到栅极端子G，从而使多个半导体开关31中的各个半导体开关接通。并且，在控制多个半导体开关31中的各个半导体开关断开时，栅极端子G与第二电源部12断开，使得能够控制半导体开关31接通的第二电压V2并不施加到栅极端子G，从而使多个半导体开关31中的各个半导体开关断开。从而，不需要电荷泵电路，这使得制造成本降低。
上述优选实施例仅仅是本发明的典型实例，并且本发明不限于上述优选实施例。即，本领域技术人员能够在不背离本发明的本质的情况下基于公知常识而在实施本发明时做出各种改变。只要变形包括根据本发明的电力分配单元和电力分配系统的结构，则该变形当然处于本发明的范围内。

Claims (2)

1.一种电力分配单元，该电力分配单元安装在包括输出第一电压的第一电源部和输出第二电压的第二电源部的车辆上，并且控制对安装在所述车辆上的多个负载的电力供给，该电力分配单元包括：
多个N通道场效应晶体管，该多个N通道场效应晶体管分别设置在所述第一电源部与所述多个负载之间，并且通过被控制为接通或断开而单独地将所述多个负载分别连接到所述第一电源部或者与所述第一电源部断开；
控制信号输入部，该控制信号输入部用于接收控制信号，所述控制信号给出用于对所述多个场效应晶体管中的一个或几个进行接通/断开控制的指令；和
电源控制部，该电源控制部设置在所述第二电源部与所述多个场效应晶体管的各个控制端子之间，所述电源控制部将由所述控制信号输入部接收到的所述控制信号而给出了接通控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子连接到所述第二电源部，并且将由所述控制信号而给出了断开控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子与所述第二电源部断开，其中
所述第二电压是比所述第一电压高的电压，并且能够控制所述多个场效应晶体管接通。
2.一种用于控制对多个负载的电力供给的车辆的电力分配系统，包括：
用于输出第一电压的第一电源部；
多个N通道场效应晶体管，该多个N通道场效应晶体管分别设置在所述第一电源部与所述多个负载之间，并且通过被控制为接通或断开而单独地将所述多个负载分别连接到所述第一电源部或与所述第一电源部断开；
用于输出第二电压的第二电源部，所述第二电压是比所述第一电压高的电压，并且能够控制所述多个场效应晶体管为接通；
控制信号输入部，该控制信号输入部用于接收控制信号，该控制信号给出用于对所述多个场效应晶体管中的一个或几个进行接通/断开控制的指令；和
电源控制部，该电源控制部设置在所述第二电源部与所述多个场效应晶体管的各个控制端子之间，所述电源控制部将由所述控制信号输入部接收到的所述控制信号而给出了接通控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子连接到所述第二电源部，并且将由所述控制信号而给出了断开控制指令的所述场效应晶体管的所述控制端子与所述第二电源部断开。
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