CN108377142B - 一种电子开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子开关电路，包括MOS开关单元、恒流源电路、光伏供电光耦、光耦推挽隔离电路、光耦驱动电路、推挽输出电路和接线单元，MOS开关单元包括至少一组MOS管，每组MOS管由两个反向串联的MOS形成，通过反向串联的两个MOS管的两个漏极连接于储能模块和负载之间；通过控制器给MOS管驱动电路提供控制信号，驱动光耦推挽隔离电路形成推挽输出，推挽输出电路在所述推挽输出的作用下产生二次推挽，驱动MOS开关单元的MOS管导通或截止，从而实现储能模块和负载之间电能的通断；供电电源通过恒流源电路进入光伏供电光耦，给推挽输出电路的推挽和驱动MOS管提供能源。

Description

一种电子开关电路

技术领域

本发明涉及电子开关电路，尤其是涉及一种可应用于电动汽车、无人机、储能设备、配电系统等领域电池管理系统的交直流高压大电流电子开关电路。

背景技术

目前电动车电池组的电池管理系统(BMS)的电子开关大多使用大功率继电器，使用继电器的方式存在这样的缺点：安装庞大、接线繁琐；机械接触方式耗能大、开关动作时延长；频繁动作造成机械老化、触点氧化、内阻升高、发热过大，甚至触点黏连无法脱开造成人员、设备安全隐患；开关动作有噪音；另外，目前行业中的高压大功率继电器成本高。继电器电路切换是目前我电动汽车，特别是低速车领域的通用做法。

随着新能源汽车的逐渐普及，有人采用IGBT、可控硅等方式来做电子开关，但此类开关的缺点是驱动电路复杂、可靠性差，内阻高、发热量大，而且一般都是单向整流导通，双向导通的成本极高。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为克服目前BMS中电子开关电路所存在的不足，本发明提出了一种集成度高、安装简易、可双向导通、开关响应速度快、功耗极小、使用电压范围宽且交直流均适用的高压大电流开关电路。

本发明为克服现有技术的不足所提出的技术方案如下：

一种电子开关电路，具有第一I/O端和第二I/O端，并通过所述第一I/O端和所述第二I/O端连接于储能模块和负载之间，所述电子开关电路包括MOS开关单元、恒流源电路、光伏供电光耦、光耦推挽隔离电路、光耦驱动电路、推挽输出电路和接线单元；其中，所述恒流源电路连接于所述电子开关电路的供电电源和所述光伏供电光耦的输入端之间；所述光耦推挽隔离电路具有第一至第三输出端，其中，第一、第三输出端分别连接于所述光伏供电光耦的两个输出端，第二输出端连接于所述推挽输出电路的驱动端；所述光耦推挽隔离电路的输入端连接于所述光耦驱动电路，以在所述光耦驱动电路的驱动作用下产生推挽输出；所述MOS开关单元包括一组或两组以上MOS管，每一组MOS管包括两个串联的MOS管；其中，所述两个串联的MOS管的源极相连，漏极分别作为所述第一I/O端和所述第二I/O端；所述MOS开关单元的所有MOS管的栅极共同连接至所述推挽输出电路的输出端，源极共同连接至所述光耦推挽隔离电路的第一输出端；其中，所述MOS开关单元包括两组以上MOS管时，各组MOS管之间并联连接；所述推挽输出电路具有两个输入端，分别连接所述光耦推挽隔离电路的第一输出端和第三输出端；所述推挽输出电路在所述光耦推挽隔离电路的所述推挽输出的作用下形成二次推挽，产生控制所述MOS开关单元的MOS管导通或截止的开关信号，以使所述MOS开关单元的所有MOS管在所述开关信号的作用下导通或截止。

优选地，所述MOS开关单元还包括并联于所述第一I/O端和所述第二I/O端之间的MOS管保护电路。更优选地，所述MOS管保护电路包括并联的压敏电阻和第一二极管；其中，第一二极管的正极连接于所述第二I/O端，负极连接于所述第一I/O端。通过在串联后的MOS管两漏极之间并联压敏电阻和二极管，可以起到防止浪涌和大电流冲击的作用，从而有效地保护MOS管。

优选地，所述光耦推挽隔离电路包括以推挽方式连接的第一光耦和第二光耦；其中，所述第一光耦的输出端发射极为所述光耦推挽隔离电路的第一输出端，所述第二光耦的输出端集电极为所述光耦推挽隔离电路的第三输出端，所述第一光耦的输出端集电极和所述第二光耦的输出端发射极共同连接形成所述光耦推挽隔离电路的第二输出端；并且，在所述第一输出端和所述第二输出端之间并联有第五电阻；所述光耦驱动电路包括分别连接于所述第一光耦输入端和所述第二光耦输入端的两路MOS管驱动电路，且所述两路MOS管驱动电路的两个MOS管在一控制信号的控制下择一导通，以使所述第一光耦和所述第二光耦择一开通，从而使所述光耦推挽隔离电路产生所述推挽输出。

优选地，所述推挽输出电路包括以推挽方式连接的第一三极管和第二三极管，以及第六电阻；其中，第一三极管和第二三极管的基极共同连接形成所述推挽输出电路的所述驱动端，第一三极管的集电极和第二三极管的集电极分别为所述推挽输出电路的所述两个输入端，第一三极管的集电极连接于所述光耦推挽隔离电路的第一输出端，第二三极管的集电极连接于所述光耦推挽隔离电路的第三输出端；第一三极管和第二三极管的发射极共同连接至第六电阻的其中一端，所述第六电阻的另一端即为所述推挽输出电路的所述输出端。

本发明提出的前述电子开关电路，与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

1)采用两个反向串联的MOS管构成一组开关器件，可以双向导通，且不具有方向性，可以避免因为反接而导致线路损坏的问题；

2)在电路的供电端采用恒流源电路，可以拓宽供电电源的范围，使得整个电子开关电路可以具有较宽范围的供电电源；

3)采用光伏供电光耦，直接利用光伏信号产生电能，既隔离又通信号，相比采用脉冲变压器或普通光耦的方式，电路更安全可靠；

4)采用推挽输出电路，可以让MOS开关单元的大功率MOS管快速开启/截止，避免开关时延造成大功率MOS管发热，从而使开关器件损耗、发热降到最低；

5)由于本发明提供的是纯电子开关器件，所以在开关动作时没有噪音，无触点老化，无继电器线圈损耗等传统开关电路所存在的问题。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的基于大功率MOS管的电子开关电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施方式提供一种电子开关电路，参考图1，具有两个I/O端B+和P+，该电子开关电路可通过这两个I/O端B+和P+连接于储能模块和负载之间。继续参考图1，该电子开关电路包括MOS开关单元100、恒流源电路200、光伏供电光耦U1、光耦推挽隔离电路300、光耦驱动电路400、推挽输出电路500和接线单元600，优选地还包括一稳压电路700。

所述恒流源电路200连接于所述电子开关电路的供电电源和所述光伏供电光耦U1的输入端之间，目的是用于拓宽该电子开关电路的供电电源范围。在一具体的实施例中，如图1所示，该恒流源电路200包括两个二极管D3和D4、两个三极管VT3和VT4以及两个电阻R9和R10，两个二极管D3和D4并联且正极共同连接于12V的供电电源，负极共同连接至三极管VT3的发射极；三极管VT3的集电极、基极分别连接于三极管VT4的基极、发射极，三极管VT4的集电极连接于光伏供电光耦U1的输入端发光二极管的正极；电阻R9连接于三极管VT3的发射极和基极之间，电阻R10连接于三极管VT4的基极和地GND之间，而光伏供电光耦U1的输入端发光二极管的负极接地。所述恒流源电路的具体构成不限于上述具体实施例的描述，也还可以有其它的形式，只要是连接于所述供电电源和光伏供电光耦U1的输入端之间，用于拓宽所述供电电源的范围的恒流源电路都可以，都属于本发明的保护范围。

需要说明，上述12V的供电电源只是举例，所述电子开关电路的供电电源不仅可以是12V，也可以根据客户需求来设计，例如可以是24V、30V、33V或36V等，不限于此。

参考图1，所述光耦推挽隔离电路300具有第一至第三输出端，其中：第一、第三输出端分别连接于所述光伏供电光耦U1的两个输出端(即光耦内部光敏三极管的发射极和集电极)，第二输出端连接于所述推挽输出电路500的驱动端。所述光耦推挽隔离电路300的输入端连接于所述光耦驱动电路400，以在所述光耦驱动电路400的驱动作用下产生推挽输出。如图1所示，在一具体的实施例中，所述光耦推挽隔离电路300包括以推挽方式连接的两个光耦U2和U3以及三个电阻R2、R3和R5，其中：光耦U2的输出端发射极即为该光耦推挽隔离电路300的所述第一输出端，光耦U3的输出端集电极即为该光耦推挽隔离电路300的第三输出端，光耦U2的输出端集电极和光耦U3的输出端发射极共同连接形成该光耦推挽隔离电路300的第二输出端，电阻R5连接于所述第一输出端和所述第二输出端之间，电阻R2一端连接于光耦U2输入端发光二极管的正极、另一端连接3.3V电压源，电阻R3一端连接于光耦U3输入端发光二极管的正极、另一端连接3.3V电压源。在更优选的实施例中，所述光伏供电光耦U1的两个输出端之间并联有电解电容C1和稳压二极管D2。

参考图1，所述MOS开关单元100包括一组或两组以上MOS管，每一组MOS管包括两个串联的MOS管；其中，所述两个串联的MOS管的源极相连，漏极分别作为I/O端B+和I/O端P+。当所述MOS开关单元100包括两组以上MOS管时，各组MOS管之间并联连接，例如图1所示例的，包含两组MOS管(Q1和Q2串联为一组，Q3和Q4串联为另一组)，每一组MOS内两个MOS管串联后，它们的两个漏极引出分别作为所述电子开关电路的所述两个I/O端B+和P+。所述MOS开关单元100的所有MOS管的栅极共同连接至所述推挽输出电路500的输出端，源极共同连接至所述光耦推挽隔离电路300的第一输出端。

如图1所示，在一具体实施例中，所述光耦驱动电路400包括两个MOS管Q5和Q6以及四个电阻R7、R8、R11、R12，其中，MOS管Q6的栅极通过电阻R8连接于控制信号输入端KEY1、源极接地、漏极连接于光耦U3的输入端发光二极管负极；MOS管Q5的栅极通过电阻R7接地，源极接地，漏极连接于光耦U2的输入端发光二极管负极；MOS管Q5的栅极和MOS管Q6的漏极相连；电阻R11连接于MOS管Q6的栅极和源极之间；电阻R12一端连接于MOS管Q5的栅极，另一端连接至光耦U2输入端发光二极管正极的电阻R2的第二端，同时，电阻R2的第二端还连接至3.3V电压。

本发明的开关电路中所需的3.3V电压源可以由所述稳压电路700对所述供电电源(例如12V供电电源)进行处理后输出。如图1所示，所述稳压电路700可以采用HT7533来实现，具体而言，所述稳压电路700包括三个二极管D5～D7、两个电阻R4和R13以及两个电容C2、C3，其中，二极管D5和D6并联且正极共同连接至12V供电电源，负极共同连接至电阻R4的一端和R13的一端，电阻R4的另一端连接发光二极管D7的正极，而发光二极管D7的负极接地GND，电阻R13的另一端接芯片HT7533的两个IN引脚，而HT7533的两个IN引脚连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地GND，电容C3的一端接地GND、另一端接芯片HT7533的OUT引脚，OUT引脚输出本发明开关电路中所需的3.3V电压源，作为弱电，可作为所述光耦推挽隔离电路300的输入端电源。

所述推挽输出电路500具有两个输入端，分别连接所述光耦推挽隔离电路300的所述第一输出端和所述第三输出端；所述推挽输出电路500在所述光耦推挽隔离电路300的所述推挽输出的作用下形成二次推挽，产生控制所述MOS开关单元100的MOS管导通或截止的开关信号，以使所述MOS开关单元100的所有MOS管在所述开关信号的作用下导通或截止。在一具体的实施例中，如图1所示，所述推挽输出电路500包括以推挽方式连接的两个三极管VT1和VT2，还包括一电阻R6，其中，三极管VT1和VT2的基极共同连接形成所述推挽输出电路500的所述驱动端，三极管VT1和VT2的集电极分别为所述推挽输出电路500的所述两个输入端，三极管VT1的集电极连接于所述光耦推挽隔离电路300的第一输出端，三极管VT2的集电极连接于所述光耦推挽隔离电路300的第三输出端；三极管VT1和VT2的发射极共同连接至电阻R6的其中一端，电阻R6的另一端即为所述推挽输出电路500的所述输出端(连接至MOS开关单元所有MOS管的栅极)。

在前述提供的电子开关电路中，开关器件采用大功率的MOS管(例如200A，100V的大功率MOS管，当然也可以更大功率，或通过并联多组反向串联的大功率MOS管来实现更大功率)，因此，为了保护大功率MOS，所述MOS开关单元100还包括MOS管保护电路，该MOS管保护电路包括一双向瞬变二极管D1和一压敏电阻R1，二极管D1和压敏电阻R1均并联在反向串联(源极相连形成串联的方式)后的两个MOS管(例如Q1和Q2)的两个漏极之间，起到防止浪涌和大电流冲击的作用，从而可以有效地保护开关电路的开关器件Q1、Q2、Q3和Q4。其中，所述MOS开关单元100内的MOS管开关器件可以根据客户需要，当通过的电流越大时，可以多并联几组MOS管。

本发明在光伏供电光耦U1、光耦推挽隔离电路300、光耦驱动电路400以及推挽输出电路500的相互配合工作下，能够使得整个开关电路的高压部分和低压部分全部隔离，高低压之间都是光信号传输，没有电气连接，有效地保护了控制电路免受储能模块强电信号的干扰；另外，能够达到快速驱动MOS开关单元的MOS导通/截止的效果，最大限度降低开关时延和开关器件发热。

另外，如图1所示，本发明的接线单元600包括第一、第二、第三接口J1、J2、J3和第四接口模块J4；其中，第一接口J1为本发明电子开关电路一I/O端B+的接线口，用于接所述储能模块(例如电动汽车锂电池组)的正极接线；第二接口J2为本发明电子开关电路另一I/O端P+的接线口，用于接所述负载(例如电动汽车的电机)的正极输入线；第三接口J3接所述储能模块的正极充电线；所述第四接口模块J4包括至少一个控制信号接口，通过所述控制信号接口接收所述控制信号。例如，电池管理系统提供的控制信号(例如3.3～5V电平信号)从第四接口模块J4的控制信号接口2、3或4输入，再到本发明的光耦驱动电路400的控制信号输入端KEY1。如图1所示的接线单元提供了可接三个独立的所述电子开关电路的控制信号接口2、3、4。

作为本发明的一种示例性的实施方式，当12V的供电电源从恒流源电路200进入，而光伏供电光偶U1(例如采用191b光耦)得电后，其可输出8～10V的电压，为推挽输出电路500和驱动MOS开关单元内的大功率MOS管提供能源。当需要对所述储能模块例如锂电池组进行充电或者需要通过所述储能模块向所述负载供电时，向所述光耦驱动电路400的控制信号输入端KEY1提供一高电平信号，使MOS管Q6导通而MOS管Q5截止，进而光耦U3开通而光耦U2关断，三极管VT1导通而三极管VT2截止，从而使得所述MOS开关单元100的所有开关管导通；当所述储能模块对所述负载供电的过程中，检测到所述储能模块的电压低于第一阈值时，或者在对所述储能模块充电的过程中，检测到所述储能模块的电压高于第二阈值时，向所述光耦驱动电路400的控制信号输入端KEY1提供一低电平信号，使MOS管Q6截止而MOS管Q5导通，进而光耦U3关断而光耦U2开通，三极管VT1截止而三极管VT2导通，从而使得所述MOS开关单元100的所有开关管截止。在本发明的具体实施方式中，提供给光耦驱动电路400的控制信号输入端的高电平信号为3.3～5V，低电平信号为0.7V以下。

另外，本发明的控制信号输入接口方便，几乎常用控制器12V以内的TTL、COMS标准驱动信号都可以驱动本发明的开关器件。本发明的电子开关电路还具有以下的优点：使用电压范围宽，储能模块的供电在100V以内的情况都可以使用；可以组成多路开关模式，设计到同一块PCB中，可以形成丰富的扩展，满足不同使用场合的需求；集成度很高，使用灵活，可以为产品节省大量安装控件，也为客户产品体积的小型化提供了技术保障；电子开关电路无论工作10mA电流还是休眠零功耗，功耗极低；具有超强高低压隔离能力，可以耐压2KV；最后，此产品具有温控保护功能，出现温超标会启动散热风扇或自动关断输出，可以保护设备安全运行。而继电器方式需另加测温保护电路。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电子开关电路，具有第一I/O端(B+)和第二I/O端(P+)，并通过所述第一I/O端(B+)和所述第二I/O端(P+)连接于储能模块和负载之间，其特征在于：所述电子开关电路包括MOS开关单元(100)、恒流源电路(200)、光伏供电光耦(U1)、光耦推挽隔离电路(300)、光耦驱动电路(400)、推挽输出电路(500)和接线单元(600)；其中，所述恒流源电路(200)连接于所述电子开关电路的供电电源和所述光伏供电光耦(U1)的输入端之间；

所述光耦推挽隔离电路(300)具有第一至第三输出端，其中，第一、第三输出端分别连接于所述光伏供电光耦(U1)的两个输出端，第二输出端连接于所述推挽输出电路(500)的驱动端；所述光耦推挽隔离电路(300)的输入端连接于所述光耦驱动电路(400)，以在所述光耦驱动电路(400)的驱动作用下产生推挽输出；

所述MOS开关单元(100)包括一组或两组以上MOS管，每一组MOS管包括两个串联的MOS管；其中，所述两个串联的MOS管的源极相连，漏极分别作为所述第一I/O端(B+)和所述第二I/O端(P+)；所述MOS开关单元(100)的所有MOS管的栅极共同连接至所述推挽输出电路(500)的输出端，源极共同连接至所述光耦推挽隔离电路(300)的第一输出端；

其中，所述MOS开关单元(100)包括两组以上MOS管时，各组MOS管之间并联连接；

所述推挽输出电路(500)具有两个输入端，分别连接所述光耦推挽隔离电路(300)的第一输出端和第三输出端；所述推挽输出电路(500)在所述光耦推挽隔离电路(300)的所述推挽输出的作用下形成二次推挽，产生控制所述MOS开关单元(100)的MOS管导通或截止的开关信号，以使所述MOS开关单元(100)的所有MOS管在所述开关信号的作用下导通或截止。

2.如权利要求1所述的电子开关电路，其特征在于：所述MOS开关单元(100)还包括并联于所述第一I/O端(B+)和所述第二I/O端(P+)之间的MOS管保护电路。

3.如权利要求2所述的电子开关电路，其特征在于：所述MOS管保护电路包括并联的压敏电阻(R1)和第一二极管(D1)；其中，第一二极管(D1)为双向瞬变二极管，连接于所述第二I/O端(P+)和所述第一I/O端(B+)之间。

4.如权利要求1所述的电子开关电路，其特征在于：所述光伏供电光耦(U1)的两个输出端之间并联有电解电容(C1)和稳压二极管(D2)。

5.如权利要求1所述的电子开关电路，其特征在于：还包括稳压电路(700)，所述稳压电路(700)的输入端连接于所述供电电源，输出端形成3.3V电压，作为所述光耦推挽隔离电路(300)输入端的电压源。

6.如权利要求1至5任一项所述的电子开关电路，其特征在于：所述光耦推挽隔离电路(300)包括以推挽方式连接的第一光耦(U2)和第二光耦(U3)；其中，所述第一光耦(U2)的输出端发射极为所述光耦推挽隔离电路的第一输出端，所述第二光耦(U3)的输出端集电极为所述光耦推挽隔离电路的第三输出端，所述第一光耦(U2)的输出端集电极和所述第二光耦(U3)的输出端发射极共同连接形成所述光耦推挽隔离电路的第二输出端；并且，在所述第一输出端和所述第二输出端之间并联有第五电阻(R5)；

所述光耦驱动电路(400)包括分别连接于所述第一光耦(U2)输入端和所述第二光耦(U3)输入端的两路MOS管驱动电路，且所述两路MOS管驱动电路的两个MOS管在一控制信号的控制下择一导通，以使所述第一光耦(U2)和所述第二光耦(U3)择一开通，从而使所述光耦推挽隔离电路(300)产生所述推挽输出。

7.如权利要求6所述的电子开关电路，其特征在于：所述光耦驱动电路(400)包括第五、第六MOS管(Q5、Q6)，第七、第八电阻(R7、R8)，以及第十一、第十二电阻(R11、R12)；

所述第六MOS管(Q6)的栅极通过第八电阻(R8)连接于控制信号输入端(KEY1)，源极接地，漏极连接于所述第二光耦(U3)的输入端的发光二极管负极；第五MOS管(Q5)的栅极通过第七电阻(R7)接地，源极接地，漏极连接于所述第一光耦(U2)的输入端的发光二极管负极；所述第五MOS管(Q5)的栅极和所述第六MOS管(Q6)的漏极相连；

第十一电阻(R11)连接于第六MOS管(Q6)的栅极和源极之间；第十二电阻(R12)一端连接于第五MOS管(Q5)的栅极，另一端连接至第一光耦(U2)输入端发光二极管正极的第二电阻(R2)的第二端，同时，所述第二电阻(R2)的第二端还连接至3.3V电压；所述第二光耦(U3)的输入端发光二极管正极通过第三电阻(R3)连接3.3V电压。

8.如权利要求6所述的电子开关电路，其特征在于：所述推挽输出电路(500)包括以推挽方式连接的第一三极管(VT1)和第二三极管(VT2)，以及第六电阻(R6)；

其中，第一三极管(VT1)和第二三极管(VT2)的基极共同连接形成所述推挽输出电路(500)的所述驱动端，第一三极管(VT1)的集电极和第二三极管(VT2)的集电极分别为所述推挽输出电路(500)的所述两个输入端，第一三极管(VT1)的集电极连接于所述光耦推挽隔离电路(300)的第一输出端，第二三极管(VT2)的集电极连接于所述光耦推挽隔离电路(300)的第三输出端；第一三极管(VT1)和第二三极管(VT2)的发射极共同连接至第六电阻(R6)的其中一端，所述第六电阻(R6)的另一端即为所述推挽输出电路(500)的所述输出端。

9.如权利要求6所述的电子开关电路，其特征在于：所述接线单元(600)包括第一、第二、第三接口(J1、J2、J3)和第四接口模块(J4)；

其中，第一接口(J1)为所述第一I/O端(B+)的接线口，用于接所述储能模块的正极接线；第二接口(J2)为所述第二I/O端(P+)的接线口，用于接所述负载的正极输入线；第三接口(J3)接所述储能模块的正极充电线；

所述第四接口模块(J4)包括至少一个控制信号接口，通过所述控制信号接口接收所述控制信号。