CN113364286A - 燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统及保护方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种燃料电池汽车直流‑直流变换器过流保护系统及保护方法，其中，系统包括：功率MOSFET、功率MOSFET驱动电路、电流传感器和控制器，其中，功率MOSFET驱动电路，用于根据控制器生成的PWM信号驱动功率MOSFET的同时，检测功率MOSFET的饱和压降；电流传感器，用于检测直流‑直流变换器的输入电流；控制器，用于在饱和压降和/或输入电流满足过流条件时，控制功率MOSFET执行保护动作，以对功率MOSFET和直流‑直流变换器进行过流保护。本申请实施例的保护系统可以增强直流‑直流变换器的安全性，克服由于过流导致功率MOSFET乃至直流‑直流变换器的损坏的问题，对直流‑直流变换器形成有效保护。

Description

燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统及保护方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统及保护方法。
背景技术
直流-直流变换器在以燃料电池为主要动力源的动力系统中，起到电压匹配、功率匹配、保护电化学动力源和对燃料电池进行状态估计等作用，对动力系统性能产生重要影响，因此保证直流-直流变换器的安全性十分重要。大功率场合下燃料电池汽车直流-直流变换器多采用BOOST或者BUCK电路拓扑结构，其功能实现主要依赖功率MOSFET的通断，功率MOSFET的过流耐受能力较弱，故过流对直流-直流变换器的损害较大，一种可靠的过流保护方法意义重大。
相关技术中，按照现有的直流-直流变换器过流保护主要有输入电流检测和输出电流检测等，通过检测直流-直流变换器的输入侧和输出侧的电流值，在DSP中与设定阈值相比较判断是否过流，继而控制PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号的输出，完成过流保护。但是由于直流-直流变换器中的主要功率半导体器件——功率MOSFET的过流耐受时间较短，而现有的过流保护方法从电流检测，到DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)进行分析，最终拉低所有驱动信号所需时间较长，难以对直流-直流变换器形成有效保护。
申请内容
本申请提供一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统及保护方法，以解决相关技术中从电流检测，到DSP进行分析，最终拉低所有驱动信号所需时间较长，难以对直流-直流变换器形成有效保护等问题。
本申请第一方面实施例提供一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，保护系统包括：功率MOSFET、功率MOSFET驱动电路、电流传感器和控制器，其中，所述功率MOSFET驱动电路，用于根据所述控制器生成的PWM信号驱动所述功率MOSFET的同时，检测所述功率MOSFET的饱和压降；所述电流传感器，用于检测直流-直流变换器的输入电流；所述控制器，用于在所述饱和压降和/或所述输入电流满足过流条件时，控制所述功率MOSFET执行保护动作，以对所述功率MOSFET和所述直流-直流变换器进行过流保护。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：处理器，用于对所述PWM信号进行处理，以生成驱动所述功率MOSFET的驱动信号，并且以在所述功率MOSFET执行保护动作时，判定故障发生，控制所述直流-直流变换器停止工作。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述处理器还用于接收外部设备发送的故障信号，并根据所述故障信号控制所述直流-直流变换器停止工作。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述饱和压降的计算公式为：
UDS＝IDSRon
其中，所述UDS为所述饱和压降，所述Ron为所述功率MOSFET的导通电阻，所述IDS为导通电流。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述过流条件为所述饱和压降大于预设阈值，或者所述输入电流大于预设电流。
本申请第二方面实施例提供一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法，其特征在于，利用上述实施例所述的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，其中，方法包括以下步骤：根据所述控制器生成的PWM信号驱动所述功率MOSFET的同时，检测所述功率MOSFET的饱和压降；检测直流-直流变换器的输入电流；在所述饱和压降和/或所述输入电流满足过流条件时，控制所述功率MOSFET执行保护动作，以对所述功率MOSFET和所述直流-直流变换器进行过流保护。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：对所述PWM信号进行处理，以生成驱动所述功率MOSFET的驱动信号，并且以在所述功率MOSFET执行保护动作时，判定故障发生，控制所述直流-直流变换器停止工作。
可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：接收外部设备发送的故障信号，并根据所述故障信号控制所述直流-直流变换器停止工作。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述饱和压降的计算公式为：
UDS＝IDSRon
其中，所述UDS为所述饱和压降，所述Ron为所述功率MOSFET的导通电阻，所述IDS为导通电流。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述过流条件为所述饱和压降大于预设阈值，或者所述输入电流大于预设电流。
通过霍尔电流传感器和驱动电路反馈的信号分别对直流-直流变换器的输入电流和功率MOSFET的饱和压降进行检测，增强了直流-直流变换器的安全性，克服了由于过流导致功率MOSFET乃至直流-直流变换器的损坏的问题，对直流-直流变换器形成有效保护。由此，解决相关技术中从电流检测，到DSP进行分析，最终拉低所有驱动信号所需时间较长，难以对直流-直流变换器形成有效保护等问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统的结构示意图；
图2为根据本申请一个实施例的燃料电池汽车直流-直流变换器的拓扑结构示例图；
图3为根据本申请一个实施例的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法的流程图。
附图标记说明：
100-功率MOSFET、200-功率MOSFET驱动电路、300-电流传感器、DSP-控制器和CPLD-处理器。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统及保护方法。针对上述背景技术中心提到的从电流检测，到DSP进行分析，最终拉低所有驱动信号所需时间较长，难以对直流-直流变换器形成有效保护的问题，本申请提供了一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，通过该燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，通过霍尔电流传感器和驱动电路反馈的信号分别对直流-直流变换器的输入电流和功率MOSFET的饱和压降进行检测，增强了直流-直流变换器的安全性，克服了由于过流导致功率MOSFET乃至直流-直流变换器的损坏的问题，对直流-直流变换器形成有效保护。由此，解决相关技术中从电流检测，到DSP进行分析，最终拉低所有驱动信号所需时间较长，难以对直流-直流变换器形成有效保护等问题。
具体而言，图1为根据本申请实施例提供的一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统的结构示意图。
如图1所示，该燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统包括：功率MOSFET100、功率MOSFET驱动电路200、电流传感器300和控制器DSP。
功率MOSFET驱动电路200，用于根据控制器DSP生成的PWM信号驱动功率MOSFET100的同时，检测功率MOSFET 100的饱和压降。
可以理解的是，功率MOSFET驱动电路200将下述的处理器CPLD处理的PWM信号转变成对应功率MOSFET的驱动信号，并对功率MOSFET 100的饱和压降进行检测，以用于过流保护。
电流传感器300，用于检测直流-直流变换器的输入电流。
在实际执行的过程中，功率MOSFET 100的过流耐受能力较弱，因此需要本申请实施例的保护系统进行过流保护，其中，电流传感器300如霍尔电流传感器对直流-直流变换器的输入电流进行检测，并将信号发送至处理器CPLD和控制器DSP，以用于过流检测。
控制器DSP，用于在饱和压降和/或输入电流满足过流条件时，控制功率MOSFET100执行保护动作，以对功率MOSFET 100和直流-直流变换器进行过流保护。
具体地，控制器DSP是直流-直流变换器的主控芯片，其可以通过电流传感器300和功率MOSFET驱动电路200反馈的信号分别对直流-直流变换器的输入电流和功率MOSFET100的饱和压降进行检测，增强直流-直流变换器的安全性，克服由于过流导致功率MOSFET乃至直流-直流变换器的损坏的问题。
可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的保护系统还包括：处理器CPLD。
其中，处理器CPLD，用于对PWM信号进行处理，以生成驱动功率MOSFET 100的驱动信号，并且以在功率MOSFET 100执行保护动作时，判定故障发生，控制直流-直流变换器停止工作。
另外，在本申请的一个实施例中，处理器CPLD还用于接收外部设备发送的故障信号，并根据故障信号控制直流-直流变换器停止工作。
具体地，处理器CPLD对控制器DSP产生的PWM信号进行处理后输出，接受故障信号并在故障发生时向控制器DSP发送外部中断。
其中，在本申请的一个实施例中，过流条件为饱和压降大于预设阈值，或者输入电流大于预设电流。
可选地，在本申请的一个实施例中，饱和压降的计算公式为：
UDS＝IDSRon
其中，UDS为饱和压降，Ron为功率MOSFET的导通电阻，IDS为导通电流。
本领域技术人员应该理解到的是，本申请实施例的保护系统包括：功率MOSFET100、功率MOSFET驱动电路200、电流传感器300、控制器DSP和处理器CPLD。其中：
功率MOSFET驱动电路200与处理器CPLD和功率MOSFET 100连接，功率MOSFET驱动电路200用于接收处理器CPLD发送的PWM信号，并将其转化为对应功率MOSFET的驱动信号发送至功率MOSFET 100的栅极完成驱动，同时检测功率MOSFET 100的饱和压降UDS，功率MOSFET 100的饱和压降UDS与导通电流IDS的关系如下：
UDS＝IDSRon，
其中，功率MOSFET 100的导通电阻Ron为常数，可认为饱和压降UDS和导通电流IDS有一一对应关系，UDS到达一定数值即可认为功率MOSFET 100过流，此时触发栅极驱动芯片的内部逻辑，将驱动信号全部拉低，并将故障信号发送至处理器CPLD，直流-直流变换器停止工作。
进一步地，电流传感器300检测直流-直流变换器的输入电流Iin，并和处理器CPLD和控制器DSP连接。将信号发送至处理器CPLD和控制器DSP，当电流传感器300检测输入电流Iin到达一定数值时可以认为直流-直流变换器过流，处理器CPLD和控制器DSP关闭PWM信号输出，直流-直流变换器停止工作。
处理器CPLD和控制器DSP、功率MOSFET 100驱动电路和电流传感器300连接。处理器CPLD用于将控制器DSP发出的PWM信号进行处理后发送至功率MOSFET驱动电路200，并接受功率MOSFET驱动电路200和电流传感器300的故障反馈信号，当接收到故障反馈信号时，处理器CPLD关闭PWM信号的输出，并向控制器DSP发送一个外部中断，直流-直流变换器停止工作。
控制器DSP是直流-直流变换器的主控芯片，其用于处理器CPLD和电流传感器300连接。当接受到处理器CPLD的外部中断请求或者电流传感器300故障信号时，控制器DSP关闭PWM信号输出，直流-直流变换器停止工作。
在本申请的实施例中，本申请实施例同时检测直流-直流变换器的输入电流和功率MOSFET 100的导通电流，提高了系统的安全性，克服了由于过流导致功率MOSFET乃至直流-直流变换器的损坏的问题。
结合图1和图2所示，以下列举实施例，示意性说明。
如图1所示，该燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统包括：功率MOSFET100、功率MOSFET驱动电路200、电流传感器300、控制器DSP和处理器CPLD。其中：
功率MOSFET驱动电路200驱动电路包括用于产生功率MOSFET 100驱动信号的栅极驱动芯片及其外围电路，外围电路主要包括直流转换电路，功率MOSFET饱和压降检测电路等。直流转换电路用于产生功率MOSFET 100导通和关断的驱动电压，功率MOSFET饱和压降检测电路主要通过对功率MOSFET 100的导通压降UDS进行采样，UDS检测位置如图2所示，饱和压降UDS和导通电流IDS的关系如下：
UDS＝IDSRon，
其中，功率MOSFET 100的导通电阻为常数，可认为饱和压降和导通电流有一一对应关系，UDS经过分压电阻分压后馈入到栅极驱动芯片的过流故障检测管脚，栅极驱动芯片的过流故障检测管脚所检测到的电压Ut与栅极电压的关系为(K为饱和压降检测电路的分压电阻决定的比例系数)：
Ut＝KUDS,(K＝1)，
当Ut超过栅极驱动芯片过流故障检测管脚的阈值时，触发栅极驱动芯片的内部逻辑，将驱动信号全部拉低，并将故障信号发送至处理器CPLD，直流-直流变换器停止工作。
电流传感器300检测直流-直流变换器的输入电流Iin，检测位置如图2所示。并将信号馈入处理器CPLD和控制器DSP，处理器CPLD和控制器DSP检测到电流传感器300信号超过设定阈值时，判断直流-直流变换器过流，将PWM信号输出全部拉低，通过软件的方式完成过流保护。
处理器CPLD将控制器DSP产生的PWM信号进行处理后输出至栅极驱动芯片的原边信号输入端，用于产生驱动信号，还可以接受电流传感器300和功率MOSFET驱动电路200产生的过流故障信号，当接受到故障信号时，处理器CPLD立即关闭PWM信号输出并向控制器DSP发送外部中断请求。
控制器DSP是直流-直流变换器的主控芯片，包含直流-直流变换器的所有控制算法。根据参考电压或电流值计算出功率MOSFET100的占空比，输出对应的PWM信号至处理器CPLD。当控制器DSP接收到电流传感器300的反馈信号时，与设定阈值相比较，当当前电流值大于设定阈值时，判断为过流，将PWM输出信号全部拉低；当控制器DSP接收到处理器CPLD的外部中断请求时，判断为过流，将PWM输出信号全部拉低，完成软件上的过流保护。
需要理解的是，图1、图2各部分的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
根据本申请实施例提出的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，通过该燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，通过霍尔电流传感器和驱动电路反馈的信号分别对直流-直流变换器的输入电流和功率MOSFET的饱和压降进行检测，增强了直流-直流变换器的安全性，克服了由于过流导致功率MOSFET乃至直流-直流变换器的损坏的问题，对直流-直流变换器形成有效保护。由此，解决相关技术中从电流检测，到DSP进行分析，最终拉低所有驱动信号所需时间较长，难以对直流-直流变换器形成有效保护等问题。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法。
图3是本申请实施例的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法的流程图。
如图3所示，该燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法利用上述实施例的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，其包括以下步骤：
步骤S301：根据控制器生成的PWM信号驱动功率MOSFET的同时，检测功率MOSFET的饱和压降。
步骤S302：检测直流-直流变换器的输入电流。
步骤S303：在饱和压降和/或输入电流满足过流条件时，控制功率MOSFET执行保护动作，以对功率MOSFET和直流-直流变换器进行过流保护。
可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的方法还包括：对PWM信号进行处理，以生成驱动功率MOSFET的驱动信号，并且以在功率MOSFET执行保护动作时，判定故障发生，控制直流-直流变换器停止工作。
可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的方法还包括：接收外部设备发送的故障信号，并根据故障信号控制直流-直流变换器停止工作。
可选地，在本申请的一个实施例中，饱和压降的计算公式为：
UDS＝IDSRon
其中，UDS为饱和压降，Ron为功率MOSFET的导通电阻，IDS为导通电流。
可选地，在本申请的一个实施例中，过流条件为饱和压降大于预设阈值，或者输入电流大于预设电流。
需要说明的是，前述对燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统实施例的解释说明也适用于该实施例的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法，通过该燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，通过霍尔电流传感器和驱动电路反馈的信号分别对直流-直流变换器的输入电流和功率MOSFET的饱和压降进行检测，增强了直流-直流变换器的安全性，克服了由于过流导致功率MOSFET乃至直流-直流变换器的损坏的问题，对直流-直流变换器形成有效保护。由此，解决相关技术中从电流检测，到DSP进行分析，最终拉低所有驱动信号所需时间较长，难以对直流-直流变换器形成有效保护等问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，其特征在于，保护系统包括：功率MOSFET、功率MOSFET驱动电路、电流传感器和控制器，其中，
所述功率MOSFET驱动电路，用于根据所述控制器生成的PWM信号驱动所述功率MOSFET的同时，检测所述功率MOSFET的饱和压降；
所述电流传感器，用于检测直流-直流变换器的输入电流；
所述控制器，用于在所述饱和压降和/或所述输入电流满足过流条件时，控制所述功率MOSFET执行保护动作，以对所述功率MOSFET和所述直流-直流变换器进行过流保护。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
处理器，用于对所述PWM信号进行处理，以生成驱动所述功率MOSFET的驱动信号，并且以在所述功率MOSFET执行保护动作时，判定故障发生，控制所述直流-直流变换器停止工作。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理器还用于接收外部设备发送的故障信号，并根据所述故障信号控制所述直流-直流变换器停止工作。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述饱和压降的计算公式为：
UDS＝IDSRon
其中，所述UDS为所述饱和压降，所述Ron为所述功率MOSFET的导通电阻，所述IDS为导通电流。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述过流条件为所述饱和压降大于预设阈值，或者所述输入电流大于预设电流。
6.一种燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护方法，其特征在于，利用所述权利要求1-5所述的燃料电池汽车直流-直流变换器过流保护系统，其中，方法包括以下步骤：
根据所述控制器生成的PWM信号驱动所述功率MOSFET的同时，检测所述功率MOSFET的饱和压降；
检测直流-直流变换器的输入电流；
在所述饱和压降和/或所述输入电流满足过流条件时，控制所述功率MOSFET执行保护动作，以对所述功率MOSFET和所述直流-直流变换器进行过流保护。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述PWM信号进行处理，以生成驱动所述功率MOSFET的驱动信号，并且以在所述功率MOSFET执行保护动作时，判定故障发生，控制所述直流-直流变换器停止工作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：接收外部设备发送的故障信号，并根据所述故障信号控制所述直流-直流变换器停止工作。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述饱和压降的计算公式为：
UDS＝IDSRon
其中，所述UDS为所述饱和压降，所述Ron为所述功率MOSFET的导通电阻，所述IDS为导通电流。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述过流条件为所述饱和压降大于预设阈值，或者所述输入电流大于预设电流。
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