CN1677114A - 电压测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种电压测量装置包括,连接到电池组(1)的电压测量单元(2)、连接到电压测量单元(2)的电压转换单元(3)、和控制器(4),所述控制器(4)根据电压转换单元(3)的输出而控制电压测量单元(2)的操作。所述电压测量单元(2)包括构成连接到电池组(1)中电压源Vcn两端的第一开关组的Pch-MOSFET元件P1和P2、连接在元件P1和P2之间的电容器Cn、和构成第二开关组的Nch-MOSFET元件N3和N4,所述第二开关组连接到电容器Cn的两端和电压输出端的两端。第二开关组的Nch-MOSFET元件N3的源极和背栅极彼此互连。

Description

电压测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量电压源电压的电压测量装置,尤其是涉及一种用于提高测量精度的技术。
背景技术
按照环境保护,已知的是电动汽车具有一个电动机来作为用于驱动汽车的驱动源,而混合动力汽车具有一个电动机和一个引擎。作为用于驱动电动机的电源,几百个蓄电池或燃料电池(在下文中通常称为″电池″)彼此串联且用于多种情况中。因此,为了监测充电状态、放电状态、每个电池的寿命、异常情况等等在运行期间的某一时刻到下一时刻的改变,对电池组单元的端电压进行精确测量的需求日益增加,所述电池组单元彼此串联并且对其施加几百伏特的电力。
为了满足这种需要,以这种方式来进行电池组端电压的测量,即,将构成一个电池组的多个电池组单元模块化、通过第一开关组来利用每个模块的电压对电容元件进行再充电、接着断开第一开关组、通过第二开关组而将电容元件连接到电压测量装置。
例如,在日本专利申请公开号2001-116777中,将一个光MOSFET或相当于光MOSFET的一个元件用作开关元件。很容易互相区分开关驱动信号系统和测量电压信号系统,开关驱动信号不容易受到测量电压的影响,并且开关驱动电路不需要专门的设置。
然而,在上述专利文献中公开的技术存在以下问题。
(1)在光MOSFET的情况中,响应速度缓慢并且响应速度也改变很大。因而,必须确保每个开关的切换时间充足,而且很难精确而快速地使开关接通和断开以进行充、放电操作。
(2)很难将光MOSFET造得很小,并且由于其结构的原因,很难提高光MOSFET的封装密度,而且增大测量装置的尺寸和成本。
(3)需要一个电源来驱动所述光MOSFET。如果要测量部分的数目增加,则需要较大的电流。
(4)当要测量其工作温度比蓄电池的工作温度更高的燃料电池的电压时,其电路必须承受这样高的工作温度,但是光MOSFET不能容易地经受住高温。
(5)每个开关不具有保护功能。因此,即使将开关设计成使得通过确保足够的切换时间而使短路电流不会流经所述开关,如果由于电动机或引擎中较大噪声的原因而误操作驱动信号,那么短路电流就会流动并且该电压测量电路被破坏。这是个严重的问题。
发明内容
为了解决这些问题而实现了本发明,本发明提供一种小而廉价的具有高噪音免疫的电压测量装置,其可以不利用任何专门电源而高速并精确地测量电池组单元的端电压。
根据本发明的一个技术方面,提供一种电压测量装置,其测量具有多个电压源的电路的第一节点和第二节点之间的电压,包括:具有具备第一类导电性的第一类第一MOSFET和具备第一类导电性的第一类第二MOSFET的第一开关组,连接到第一节点的第一类第一MOSFET第一主电极,将与第一主电极电压相应的电压施加于其控制电极,根据控制电极的电压而导通及断开第一类第一MOSFET,连接到第二节点的第一类第二MOSFET第一主电极,将与第一主电极电压相应的电压施加于其控制电极,以及根据控制电极的电压而导通及断开第一类第二MOSFET;连接在第一类第一MOSFET的第二主电极和第一类第二MOSFET的第二主电极之间的电容;具有具备与第一类导电性相反的第二类导电性的第二类第一MOSFET和具备第二类导电性的第二类第二MOSFET的第二开关组,连接到第一类第一MOSFET第二主电极的第二类第一MOSFET第二主电极,根据输入到其控制电极的信号而导通及断开所述第二类第一MOSFET,连接到第一类第二MOSFET第二主电极的第二类第二MOSFET第二主电极,根据输入到其控制电脑的信号而导通及断开所述第二类第二MOSFET;具有具备第二类导电性的第二类第三MOSFET和具备第二类导电性的第二类第四MOSFET的第三开关组,连接到第一类第一MOSFET控制电极的第二类第三MOSFET第二主电极,根据输入到控制电极的信号而导通及断开所述第二类第三MOSFET,连接到第一类第二MOSFET控制电极的第二类第四MOSFET第二主电极,根据输入到控制电极的信号而导通及断开所述第二类第四MOSFET;以及一个控制器,其根据第三开关组的导通操作而导通第一开关组以及根据第三开关组的断开操作而断开第一开关组,其中第二开关组第二类第一MOSFET的第一主电极和其背栅极电极彼此互连。
附图说明
图1是根据第一实施例的电压测量装置的系统方框图;图2是根据第一实施例的电压测量装置中的电路图;图3是一个示意图,示出了图2所示的第二开关组N3的偏置电路的对照实施例;图4是根据第一实施例的电压测量单元中Nch-MOSFET元件N3的结构的横截面图;图5是根据第二实施例的电压测量装置中具有导通/断开驱动电路的电压测量单元的电路图;图6是一个示意图,用于说明图5所示导通/断开驱动电路的终端波形的波形;以及图7是根据一种改进的在电压测量装置中具有导通/断开驱动电路的电压测量单元的电路图。
具体实施方式
参考附图,以下将详细说明根据本发明的电压测量装置的优选实施例。
第一实施例图1显示了根据第一实施例的电压测量装置10的整体结构。在图1中,电池组1包含多个彼此串联的电压源Vi(i=1,2...,Cn-1,Cn,Cn+1,...,N)。利用每个电压源的电压经由第一开关组2a对电容器组2c进行充电。然后断开第一开关组2a,将电容器经由第二开关组2b连接到相应的电压测量装置,从而测量电池组1的端电压。多个电压测量装置组装于一个芯片上,选定多个模块的测量端中的一个,并且利用一个电压测量装置测量所述电压。
根据第一实施例的电压测量装置包括一个连接到电池组1的电压测量单元2,连接到电压测量单元2输出端的电压转换单元3,以及控制器4,所述控制器基于电压转换单元3的输出而控制电压测量单元2的操作等等。
通常,电池组1是一个具有多个电压源(电池)的电路。本发明的电压测量装置测量预定节点间的电压。在这个实施例中,将说明电池的一种串联电路以作为电路的典型实例,并且将节点间一个或多个电池的组合称为一个模块。
根据第一实施例的电池组1包括彼此串联的N个(N是大于等于1的整数)模块(图中仅显示了模块n-1,n,n+1)。在每个模块i中,多个电池组单元彼此串联,且每个电池组单元构成一个电压源(图中仅显示了分别与模块Vcn-1,Vcn,Vcn+1相对应的电压源n-1,n,n+1)。这个电池组1输出例如是100到200V这样高的电压。
电压测量单元2包括其设置于电池组1的每个模块中的N个电压测量电路。每个电压测量电路包含第一开关组2a(相应于图中模块n的P1、P2)、作为存储元件的电容器组2c(图中仅显示了分别与模块n-1,n,n+1相对应的Cn-1,Cn,Cn+1)、和第二开关组2b(相应于图中模块n的N3、N4)。根据来自于控制器4中的控制信号,将电池组1的每个模块的电压经由第一开关组2a输出到第一开关组2a并由电容器保持,并且根据来自于控制器4中的控制信号而经由第二开关组将由电容器保持的电压输出到电压转换单元3。
电压转换单元3包括例如一个A/D转换器,并将电压测量单元2提供的为模拟信号的电压转换成数字信号,并且将该数字信号发送到控制器4。
控制器4向电压测量单元2提供控制信号以控制其操作,并且将一个电压转换单元3输出的数字信号添加到控制信号中,并且计算整个电池组1的电压或每个模块的电压。所计算的电压用于监控电池组1的充电状态、放电状态、电池组的寿命、异常情况等等。
图2是一个电压测量单元2结构的实施例的电路图。在图中的实施例中将说明所述电压测量单元2的结构,其中,该结构和与其他模块相对应的那些电压测量单元2相同。
图2中所示的电压测量单元2包括作为第一开关组的P-通道MOS场效应晶体管(下文中为″Pch-MOSFET″)P1和P2、作为连接到第一开关组的电压保持器(voltage holder)的电容器Cn、作为经电容器Cn而连接到第一开关组的第二开关组的N-通道MOS场效应晶体管(下文中为“Nch-MOSFET”)N3和N4、以及作为连接到第一开关组的第一导电型MOSFET栅极(电容元件)的第三开关组2d的Nch-MOSFET(N1,N2)。在下文中,将能够承受如500V这样高的电压的元件用作这些MOSFET(P1、P2、N1到N4)。由第一开关组所包含的晶体管被称作是具有第一类导电性的第一类MOSFET,而由第二开关组所包含的晶体管被称作是具有第二类导电性的第二类MOSFET。
第一开关组所述第一开关组连接到与电池组1的模块n相对应的电压源Vcn两端,其包括包含Pch-MOSFET的开关元件P1和P2。将开关元件P1(具有第一类导电性的第一类第一MOSFET)连接到电压源Vcn的一个电压输入端A(第一电压输入端),而将开关元件P2(具有第一类导电性的第一类第二MOSFET)连接到另一个电压输入端B(第二电压输入端)。第一电压输入端A是电压源电路的第一节点Dn1,而第二电压输入端B是电压源电路的第二节点Dn2。
在开关元件P1中,源极(第一主电极)经过电阻R2而连接到电压输入端A,漏极(第二主电极)连接到电容器Cn(电容器元件)的一端,而栅极(电容器元件)连接到开关元件N1(由第三开关组所包含的具有第二类导电性的第二类第三MOSFET)的漏极(第二主电极),以及背栅极(基片)连接到开关元件P1的源极。起栅极电压限制器作用的齐纳二极管ZD1和电阻R1并联于开关元件P1的背栅极和栅极之间以用于确定开关元件P1的栅极电压。也就是说,在齐纳二极管ZD1中,阴极连接到开关元件P1的背栅极,而阳极连接到开关元件P1的栅极。电阻R2与构成限流单元的电阻元件相对应,而齐纳二极管ZD2与构成限流单元的电压限制元件相对应。也就是说,包括电阻R2和齐纳二极管ZD1的限流单元限制流向开关元件P1的电流,从而防止损坏开关元件P1。
在开关元件P2中,源极(第一主电极)经由电阻R5而连接到电压输入端B,漏极(第二主电极)连接到电容器Cn的另一端,栅极(控制电极)连接到开关元件N2(由第三开关组所包含的具有第二类导电性的第二类第四MOSFET)的漏极(第二主电极),而背栅极(基底)连接到开关元件P2的源极。起栅极电压限制器作用的齐纳二极管ZD2和电阻R4并联在开关元件P2的背栅极和栅极之间以用于确定开关元件P2的栅极电压。也就是说,在齐纳二极管ZD2中,阴极连接到开关元件P2的背栅极,而阳极连接到开关元件P2的栅极。电阻R5是一个限流元件,而齐纳二极管ZD2是一个电压限制元件,并且它们构成一个限流单元。也就是说,包括电阻R5和齐纳二极管ZD2的限流单元限制流向开关元件P2的电流,从而防止损坏开关元件P2。
第三开关组开关元件N1(具有第二类导电性的第二类第三MOSFET)驱动开关元件P1。在开关元件N1中,漏极(第二主电极)连接到如上所述的开关元件P1的栅极,源极经由电阻R3而接地(GND),并且背栅极(基底)接地。电阻R3是一个构成限流单元的电阻元件,并限制流向开关元件N1的电流,从而防止损坏开关元件N1。
开关元件N1的栅极(控制电极)连接到控制信号输入端E。从控制器4中将高电平(下文中称为“H-电平”)电压施加于控制信号输入端E,接着以此导通开关元件N1。因此,也导通开关元件P1,并将来自于电压输入端A的电压施加于电容器Cn的一端。
开关元件N2(第二导电型第四MOSFET)驱动开关元件P2。在开关元件N2中,漏极(第二主电极)连接到如上所述的开关元件P2的栅极,源极(第一主电极)经由电阻R6而接地,并且背栅极(基片)接地。电阻R6是一个构成限流单元的电阻元件,并限制流向开关元件N2的电流,从而防止损坏开关元件N2。
开关元件N2的栅极(控制电极)连接到控制信号输入端F。从控制器4将H电平电压施加于所述控制信号输入端F,接着以此导通开关元件N2。因此,也导通开关元件P2,并将电压输入端B的电压施加于电容器Cn的另一端。
第二开关组在开关元件N3(第二导电型第一MOSFET)中,漏极(第二主电极)连接到电容器Cn的一端,源极(第一主电极)经由电阻R7连接到一个电压输出端S并且连接到齐纳二极管ZD3的阴极。齐纳二极管ZD3的阳极接地(GND)。由于电压转换单元3中A/D转换器的输入阻抗非常高,由于电容或漏电流的原因而增大了那一个电压输出端S的电压,从而保护了第二开关组的MOSFET使其不被损坏。
在开关元件N3中,背栅极(基片)连接到源极,而栅极(控制电极)连接到控制信号输入端C。因此,从控制器4将H-电平电压施加于所述控制信号输入端C,导通开关元件N3,将电容器Cn一端的电势输出到电压输出端S。
在开关元件N4(第二导电型第二MOSFET)中,漏极(第二主电极)连接到另一个电容器Cn,源极(第一主电极)经由电阻R8而接地,背栅极(基片)连接到源极,而栅极连接到控制信号输入端D。因而,从控制器4将H-电平电压施加于控制信号输入端D,导通开关元件N4,将电容器Cn另一端的电势输出到其同样起另一个电压输出端作用的地面(GND)。
开关元件P1和P2包括耐高压的晶体管,并且连接到电压输入端A和B的电压源Vcn同样用作开关元件P1和P2的栅极驱动电源。
电阻R1和齐纳二极管ZD1经由电阻R2而并联于耐压开关元件P1的栅极和源极之间。因此,对于所述耐压开关元件(Nch-MOSFET)N1的导通状态期间,齐纳二极管ZD1引发齐纳击穿,并且可将开关元件P1栅极和源极之间的电压维持在击穿电压上。对于开关元件N1的断开状态期间,开关元件P1的栅极和源极被电阻R1短路,导通状态期间所存储的开关元件P1的栅极电荷被放电,并且开关元件P1的栅极电势固定为源极电势。
同样地,电阻R4和齐纳二极管ZD2经由电阻R5而并联于耐压开关元件(Pch-MOSFET)P2的栅极和源极之间。因此,对于所述耐压开关元件(Nch-MOSFET)N2的导通状态期间,齐纳二极管ZD2引发齐纳击穿,并且可将开关元件P2栅极和源极之间的电压维持在击穿电压上。对于开关元件N2的断开状态期间,开关元件P2的栅极和源极被电阻R4短路,导通状态期间所存储的开关元件P2的栅极电荷被放电,并且开关元件P2的栅极电势固定为源极电势。
因此,为了导通和断开开关元件P1和P2,不需要产生电压以将其施加于利用专门电源的栅极,并且电压测量装置可制造得尺寸更小且廉价。
第一开关组可以包括耐压Nch-MOSFET。然而,如果第一开关组利用所述耐压开关元件(Pch-MOSFET)P1和P2,那么与用于相同目的的包括耐压Nch-MOSFET的电路相比,电路结构变得更简单。也就是说,当使用耐压Nch-MOSFET而不是耐压Pch-MOSFET(P1,P2)时,为了导通所述Nch-MOSFET,根据其阈值电压,栅极电势比源极电势更高是必要的。当导通所述Nch-MOSFET时,源极电势升高到接近于漏极一侧电压源电势的一个值。因此,如果不将栅极电势增加到比电压源电势更高的值,那么Nch-MOSFET就不能继续其导通状态。因而,不同与使用Pch-MOSFET的情况,电压源实际上不能用作栅极驱动电源,并且需要一个产生栅极驱动电压的附加电路,根据所述阈值电压,该栅极驱动电压比电压输入端A、B的电压源电势更高。可能采用一种浮动电源驱动方法、一种引导驱动方法、一种电荷泵驱动方法等等以便产生这种栅极驱动电压,然而电路结构会变得复杂化。
电压测量单元将说明电压测量单元2的操作。从控制器4将低电平(下文中称″L-电平″)控制信号提供给每个控制信号输入端C和D,并且将H-电平控制信号提供给每个控制信号输入端E和F。相应地,导通开关元件(Nch-MOSFET)N1和N2,并因此导通开关元件(Pch-MOSFET)P1和P2。断开开关元件(Nch-MOSFET)N3和N4。
在这个状态中,电流从电池组1的一个模块n中流出,并且对电容器Cn进行再充电。在这个再充电操作期间,提供给控制信号输入端E和F的控制信号保持H-电平,直到电容器Cn两端的电压等于模块n的电压源Vcn两端的电压。
接下来,从控制器4将L-电平控制信号提供给控制信号输入端E和F。相应地,断开开关元件N1和N2,并因此断开开关元件P1和P2。保持开关元件N3和N4的断开状态。在这个状态中,在上述再充电操作的基础上,电容器Cn保持电压。
所述H-电平调节信号从控制器4中提供给控制信号输入端C和D。相应地,导通开关元件N3和N4。因此,在一个电压输出端S和起另一个电压输出端作用的地面(GND)之间输出所述电容器Cn两端的电压。其后,重复上述测量循环。
为了比较,图3显示了图2中所示开关组N3的电路结构。在图3中,如果第二开关组(Nch-MOSFET)N3的背栅极接地(GND),为了测量具有高端电压的电池组,由于第二开关组(Nch-MOSFET)N3的阈值升高,则需要较高的栅极电压。
另一方面,在图2所示这个实施例的电压测量装置的情况中,关于地面电势(GND)而偏置第二开关组(Nch-MOSFET)N3的背栅极,并且背栅极和源极共同担任同样的功能。因此,与图3中所示的电压测量装置不同,不会产生基片偏置效应。根据这个实施例的电路结构,可将电池组的多个电压测量装置(图3中)组装在一个芯片上,并且可公用电压测量端S。
如以上所说明的,根据第一实施例,作为构成第一到第三开关组的开关,采用Pch-MOSFET和Nch-MOSFET而不是光MOSFET,并且第二开关组(Nch-MOSFET)N3的背栅极连接到其源极。因此,提高了响应速度,并且可以精确而快速地执行用于电容器再充电和放电操作的切换操作。即使电压源Vcn的模块电压升高,也不会产生基片偏置效应。因而,可以以一个预定阈值而导通和断开所述Nch-MOSFET元件N3的栅极电压。因此,即使模块电压高,也可以精确而快速地测量电压。
根据基于电压源电压而施加于控制电极的电压来导通和断开构成第一开关组的Pch-MOSFET,并且根据来自于外部的信号而导通和断开构成第二和第三开关组的Nch-MOSFET。因而,可以无需专门电源即可实现廉价而小巧的电压测量装置。
第二实施例根据第一实施例(见图1和2),可将与电池组1中模块的电压源相对应的多个电压测量单元组装在一个芯片中,共同利用模块的测量端,并且利用电压测量装置中的一个来测量电压。在这种情况下,电压测量单元2中的第二开关组的Nch-MOSFET元件N3具有横向MOSFET结构。
图4是具有横向MOSFET结构的Nch-MOSFET元件N3的剖面图。为了对比,图5显示了其背栅极接地(GND)的Nch-MOSFET结构的横截面。
在图4所示Nch-MOSFET元件N3中,源极和背栅极彼此互连以抑制上述基片偏置效应。在形成于P型硅基片(P-Sub)上的N型硅外延生长层(N-Epi)101上具有连接到漏极的N+区102、具有连接到源极的N+区105和连接到背栅极的P+区106的P槽103、以及具有接地的P+区107的槽104。多晶硅栅极108经过一个氧化物(未显示)而形成于位于源极一端和在漏极一端的两个N+区102和105之间的N-Epi101上。多晶硅栅极109经过一个氧化物(未显示)而形成于位于背栅极一端和地面端的两个P+区106和107之间的N-Epi101上。
在这种情况下,如果将模块n电压源Vcn的端电压输出到电压转换单元3,由于电压输出端(测量端)S是公用的,则将Vcn同样施加于除模块n以外的其他模块的电压输出端S。因此,Nch-MOSFET元件N3的源极电势变为Vcn,并且由于在该时刻Nch-MOSFET元件N3的栅极电压是0V,则基于Vcn电压值对存在于图4所示N-Epi101中两个P+区106和1 07(图4中部分A)之间的寄生Pch-MOS进行操作,并且电流从电压输出端S反向流向地面(GND)。所述寄生Pch-MOS的阈值由P-Sub100上N-Epi101的密度和位于多晶硅栅极109下的氧化物厚度所决定。
为了在电池组1的电压源电压值高时更准确地测量电压,除了具有根据第一实施例(图1和2)的结构以外,第二实施例还具有一个Nch-MOSFET元件N3的导通/断开驱动电路(寄生Pch-MOS防止电路),从而防止对位于图4的部分A中的寄生Pch-MOS进行操作。
图5是示出根据第二实施例第一电压测量装置结构的电路图。图6显示了电压测量装置终端的波形。
图5中所示电压测量装置的基本结构大致与第一实施例的基本结构相同。第二实施例的电压测量装置不同于第一实施例电压测量装置之处在于,第二实施例包含了一个用作导通/断开驱动信号形成单元的导通/断开驱动电路21,其形成一个输入到第二开关组Nch-MOSFET元件N3栅极的信号(导通/断开驱动信号)。
所述导通/断开驱动电路21具有一个Pch-MOSFET元件P4(具有第一类导电性的第一类第三MOSFET)和一个Nch-MOSFET元件N7(具有第二类导电性的第二类第五MOSFET)。所述Pch-MOSFET元件P4构成第一驱动开关。在第一驱动开关中,源极(第一主电极)连接到驱动电源Vcc,漏极(第二主电极)连接到Nch-MOSFET元件N3的栅极,而背栅极连接到源极。所述Nch-MOSFET元件N7构成第二驱动开关。在第二驱动开关中,源极(第一主电极)连接到Nch-MOSFET元件N3的源极,漏极(第二主电极)连接到Nch-MOSFET元件N3的栅极,而背栅极接地。也就是说,Pch-MOSFET元件P4连接于驱动电源Vcc和Nch-MOSFET元件N3的栅极之间,而Nch-MOSFET元件N7连接于Nch-MOSFET元件N3的栅极和源极之间。
如图示连接到所述Pch-MOSFET元件P4的是Pch-MOSFET元件P3(具有第一类导电性的第一类第四MOSFET)、Nch-MOSFET元件N5(具有第二类导电性的第二类第六MOSFET)、电阻9(第一电阻元件)、电容元件C1(第一电容元件)、反相器INV2(第二反相器)。如图示连接到所述Nch-MOSFET元件N7的是Pch-MOSFET元件P5(具有第一类导电性的第一类第五MOSFET)、Nch-MOSFET元件N6(具有第二类导电性的第二类第七MOSFET)、电阻10(第二电阻元件)、电容元件C2(第二电容元件)、反相器INV3(第三反相器)。
在所述Pch-MOSFET元件P3中,源极(第一主电极)连接到驱动电源Vcc,而漏极(第二主电极)连接到电阻9的一端。在所述Nch-MOSFET元件N5中,源极(第一主电极)接地,漏极(第二主电极)连接到电阻R9的另一端和电容元件C1的另一端。在电阻9中,一端连接到Pch-MOSFET元件P3的漏极,而另一端连接到Nch-MOSFET元件N5的漏极。在电容元件C1中,一端连接到Nch-MOSFET元件N5的漏极和电阻R9的另一端,而另一端接地以作为一个旁路。在反相器INV2中,输入端连接到电容元件C1的一端,而输出端连接到Pch-MOSFET元件P4的栅极。
在Pch-MOSFET元件P5中,源极(第一主电极)连接到驱动电源Vcc,而漏极(第二主电极)连接到电阻10的一端和电容元件C2的一端。在Nch-MOSFET元件N6中,源极(第一主电极)接地,而漏极(第二主电极)连接到电阻10的另一端。在电阻10中,一端连接到Pch-MOSFET元件P5的漏极和电容元件C2的一端,而另一端连接到Nch-MOSFET元件N6的漏极。在电容元件C2中,一端连接到Pch-MOSFET元件P5的漏极和电阻10的一端,而另一端连接到驱动电源Vcc作为旁路。在反相器INV3中,输入端连接到电容元件C2的一端,而输出端连接到Nch-MOSFET元件N7的栅极。
四个MOSFET元件P3、N5、P5和N6的栅极(控制电极)经过反相器INV1而连接到输入端IN。Nch-MOSFET元件N4栅极的控制信号输入端D同样连接到输入端IN。
具备了上述结构,将延迟信号输入到两个驱动开关Pch-MOSFET元件P4和Nch-MOSFET元件N7的栅极,那些MOSFET不是同时处于导通状态的。
参考图5说明所述导通/断开驱动电路21的操作。如果在t1时刻将H-电平信号从控制器4输入到输入端IN,则在反相器INV1中将其输出波形(INV1之后)转换为L-电平。
由于来自于反相器INV1中的L-电平信号的原因,在Nch-MOSFET元件N7一侧,导通Pch-MOSFET元件P5并断开Nch-MOSFET元件N6,其被推向驱动电源Vcc,并且在反相器INV3中,将输入波形(INV3之前)转换为H-电平,而输出波形(INV3之后)转换为L-电平。相应地,在t1时刻断开所述Nch-MOSFET元件N7。
另一方面,在Pch-MOSFET元件P4一侧,由于来自于反相器INV1的L-电平信号的原因,断开Nch-MOSFET元件N5并且导通Pch-MOSFET元件P3,其被推向驱动电源Vcc,并且将反相器INV2的输入波形(INV2之前)转换为H-电平。根据延迟时间这个输入波形(INV2之前)平缓上升,所述延迟时间以由电阻R9和电容元件C1所决定的时间常数为基础。因而,来自于反相器INV2中的输出波形(INV2之后)在t2时刻下降到L-电平,所述t2时刻是从t1时刻开始经过延迟时间的时刻。相应地,在t2时刻而不是在t1时刻导通Pch-MOSFET元件P4,并且在t2时刻,导通所述Pch-MOSFET元件P4。
如果在t3时刻将L-电平信号从控制器4输入到输入端IN,则反相器INV1的输出波形(INV1之后)转换为H-电平。
由于来自于反相器INV1的H-电平信号的原因,在Pch-MOSFET元件P4一侧,导通Nch-MOSFET元件N5并且断开Pch-MOSFET元件P3,其被推向地面,以及在反相器INV2一侧,将输入波形(INV2之前)转换为L-电平,而输出波形(INV2之后)转换为H-电平。因此,在t3时刻断开Pch-MOSFET元件P4。
另一方面,在Nch-MOSFET元件N7一测,由于来自于反相器INV1的H-电平信号的原因,断开Pch-MOSFET元件P5,导通Nch-MOSFET元件N6,其被推向地面,并且将反相器INV3的输入波形(INV3之前)转换为L-电平。根据延迟时间,这个输入波形(INV3之前)平缓下降,所述延迟时间以由电阻R10和电容元件C2决定的时间常数为基础。因而,来自于反相器INV3的输出波形(INV3之后)在t4时刻上升到H-电平,所述t4时刻是从t3时刻经延迟时间而延迟的时刻。相应地,在t4时刻而不是t3时刻导通所述Nch-MOSFET元件N7,并且在t4时刻,所述Nch-MOSFET元件N3的栅极及其背栅极/源极被短路。
其后,以同样方式,如果在t5时刻将H-电平信号波形输入到输入端IN,则在t5时刻断开Nch-MOSFET元件N7,并且在从t5时刻延迟后的t6时刻导通Pch-MOSFET元件P4。
因此,根据所述导通/断开驱动电路21,如果将H-电平信号施加于输入端IN,则断开Nch-MOSFET元件N7,并且在预定时间延迟之后,导通Pch-MOSFET元件P4,并且导通Nch-MOSFET元件N3。如果将L-电平信号施加于输入端IN,则断开Pch-MOSFET元件P4,断开Nch-MOSFET元件N3,并且在预定时间延迟之后,导通Nch-MOSFET元件N7。也就是说,当Nch-MOSFET元件N3断开时,导通Nch-MOSFET元件N7,并接着以此将Nch-MOSFET元件N3的栅极与其背栅极/源极短路,并且其电势变成彼此相等。因而,有可能停止存在于图4所示多晶硅栅极109下面的部分A中的寄生Pch-MOS的操作。
所述导通/断开驱动电路21具有用于延迟Pch-MOSFET元件P4和Nch-MOSFET元件N7的导通时间的功能,其分别借助于电阻R9、电容元件C1和反相器INV2,以及电阻R10、电容元件C2和反相器INV3而驱动Nch-MOSFET元件N3的栅极,以便防止P4和N7同时导通。因此,有可能避免电源Vcc和电压输出终端S短路、电流从电源Vcc流入到电压输出终端S、并且使测量精度降低的情况。
此外,由于输入端IN和所述导通/断开驱动电路21的输入端经由反相器INV1彼此相连,可以通过一个控制信号而导通和断开Nch-MOSFET元件N4和Nch-MOSFET元件N3。
可对本实施例的导通/断开驱动电路21进行不同的改进。例如,即使通过图7中所示的导通/断开驱动电路22来替代导通/断开驱动电路21,也可以获得相同的效果。
改进在图7所示的导通/断开驱动电路22中,替代所述Pch-MOSFET元件P3和Nch-MOSFET元件N5而提供反相器INV4(第四反相器)和二极管D1(第一二极管)。此外,替代所述Pch-MOSFET元件P5和Nch-MOSFET元件N6而提供反相器INV5(第五反相器)和二极管D2(第二二极管)。
在所述反相器INV4中,输入端连接到反相器INV1,而输出端连接到电阻9的一端和二极管D1的阴极。电阻9的另一端和二极管D1的阳极连接到电容元件C1的一端。电容元件C1的一端也连接到反相器INV2的输入端,电容元件C1的另一端接地以作为旁路。
同样地,在反相器INV5中,输入端连接到反相器INV1,而输出端连接到电阻10的一端和与之并联的二极管D2的阳极。电阻10的另一端和二极管D2的阴极连接到电容元件C2的一端。电容元件C2一端也连接到反相器INV3的输入端。电容元件C2的另一端接地以作为旁路。
根据这个结构,如果将H-电平信号施加于输入端IN,则断开Nch-MOSFET元件N7,然后根据二极管D1、电阻9、电容元件C1和反相器INV2的操作而在预定时间之后导通Pch-MOSFET元件P4,并且在这一时刻,导通Nch-MOSFET元件N3。如果将L-电平信号施加于输入端IN,则断开Pch-MOSFET元件P4,断开Nch-MOSFET元件N3,然后根据二极管D2、电阻10、电容元件C2和反相器INV3的操作而在预定时间之后导通Nch-MOSFET元件N7。相应地,可以获得与第二实施例相同的效果。
发明效果根据本发明,作为构成第一到第三开关组的开关,采用第一导电型MOSFET和第二导电型MOSFET而不是光MOSFET,并且第二开关组第二导电型第一MOSFET的背栅极电极连接到第一主电极。因此,响应速度块,并且可以精确而快速地执行用于再充电和放电所述电容器元件的切换操作。因而,即使模块电压变高,也不会产生基片偏置效应,并且因而可以以一个预定门限值而导通及断开第二开关组的第二导电型第一MOSFET的栅极电压。因此,即使模块电压高,也可以精确而快速地测量所述电压。
根据基于电压源电压的施加于控制电极的电压而导通及断开作为第一开关组的第一导电型MOSFET,并且根据来自于外部的信号而导通及断开作为第二和第三开关组的第二导电型MOSFET。因而,无需专门电源即可实现一个廉价而小巧的电压测量装置。
根据本发明,第二开关组的第二导电型第一MOSFET的第一主电极及其背栅极彼此互连。因此,可借助于导通/断开驱动信号形成单元而通过第二开关组第二导电型第一MOSFET的控制电极与第一主电极之间的短路来防止寄生第一导电型MOS的故障,所述附加的第一导电型MOS位于地面电极和背栅极电极之间,且该故障是在第二开关组第二导电型第一MOSFET的背栅极电极连接到其第一主电极时所引起的。
驱动第二开关组第二导电型第一MOSFET控制电极的第一和第二驱动开关的导通/断开时间彼此不一致,不会发生驱动电源和电压输出端之间的短路,并且,不会产生由模块间短路所引起的电流,因此有可能防止测量精度的恶化。
工业应用如上所述,本发明可应用到一个这样的电压测量装置,即其能够精确测量彼此串联的几百个蓄电池和燃料电池的每个电池组单元的端电压,并且对其施加几百伏特的电压,以及将其用于电动汽车、混合动力汽车等等中。
本申请在35USC§119下请求2004年3月29日提交的日本专利申请号为2004-96154的专利申请的优先权,此处由于参考而引入其全部内容。虽然参考本发明的某些实施例描述了本发明,但是本发明不局限于如上所述的实施例。按照所阐述的,所属领域技术人员可做出对如上所述实施例的改进和变更。本发明的范围以下述权利要求的定义为准。

Claims (7)

1.一种电压测量装置,其测量具有多个电压源的电路的第一节点和第二节点之间的电压,包括:第一开关组,具有具备第一类导电性的第一类第一MOSFET和具备第一类导电性的第一类第二MOSFET,第一类第一MOSFET的第一主电极连接到所述第一节点,将与第一主电极电压相应的电压施加于其控制电极,根据控制电极的电压而导通及断开所述第一类第一MOSFET,第一类第二MOSFET的第一主电极连接到所述第二节点,将与第一主电极电压相应的电压施加于其控制电极,根据控制电极的电压而导通及断开所述第一类第二MOSFET;电容器,连接在第一类第一MOSFET的第二主电极和第一类第二MOSFET的第二主电极之间;第二开关组,具有具备与第一类导电性相反的第二类导电性的第二类第一MOSFET和具备第二类导电性的第二类第二MOSFET,第二类第一MOSFET的第二主电极连接到第一类第一MOSFET的第二主电极,根据输入到其控制电极的信号而导通及断开所述第二类第一MOSFET,第二类第二MOSFET的第二主电极连接到第一类第二MOSFET的第二主电极,根据输入到其控制电极的信号而导通及断开所述第二类第二MOSFET;第三开关组,具有具备第二类导电性的第二类第三MOSFET和具备第二类导电性的第二类第四MOSFET,第二类第三MOSFET的第二主电极连接到第一类第一MOSFET的控制电极,根据输入到控制电极的信号而导通及断开所述第二类第三MOSFET,第二类第四MOSFET的第二主电极连接到第一类第二MOSFET的控制电极,根据输入到控制电极的信号而导通及断开所述第二类第四MOSFET;以及控制器,根据第三开关组的导通操作而导通第一开关组并且根据第三开关组的断开操作而断开第一开关组,其中第二开关组的第二类第一MOSFET的第一主电极和其背栅极电极彼此互连。
2.根据权利要求1所述的电压测量装置,进一步包括:驱动信号发生器,导通及断开第二开关组的第二类第一MOSFET,其中所述驱动信号发生器包括连接在驱动电源端和第二开关组第二类第一MOSFET控制电极之间的第一驱动开关,以及连接在控制电极和第二类第一MOSFET第一主电极之间的第二驱动开关。
3.根据权利要求2所述的电压测量装置,其中,驱动信号发生器具有一个延迟电路,其延迟每个控制信号,以在导通第一驱动开关和第二驱动开关的时刻不会彼此相同的方式,将其施加于第一驱动开关和第二驱动开关。
4.根据权利要求2所述的电压测量装置,进一步包括:第一反相器,将信号反相以将其输入到第二类第二MOSFET的控制电极,其中第一反相器的输出连接到驱动信号发生器的输入端。
5.根据权利要求4所述的电压测量装置,其中,所述第一驱动开关包括具有第一类导电性的第一类第三MOSFET,其第一主电极连接到驱动源极端,其第二主电极连接到第二类第一MOSFET的控制电极,并且根据输入到所述控制电极的信号而导通及断开所述第一驱动开关;以及所述第二驱动开关包括具有第二类导电性的第二类第五MOSFET,其第一主电极连接到第二类第一MOSFET的第一主电极,其第二主电极连接到第二类第一MOSFET的控制电极,并且根据输入到所述控制电极的信号而导通及断开所述第二驱动开关。
6.根据权利要求5所述的电压测量装置,其中,所述延迟单元包括:具有第一类导电性的第一类第四MOSFET,其控制电极连接到第一反相器的输出端,并且其第一主电极连接到驱动电源端,具有第二类导电性的第二类第六MOSFET,其控制电极连接到第一反相器的输出端,其第一主电极接地,并且其第二主电极连接到第一类第四MOSFET的第二主电极,第一电阻元件,其一端连接到第一类第四MOSFET的第二主电极,且其另一端连接到第二类第六MOSFET的第二主电极,第一电容元件,其一端连接到第二类第六MOSFET的第二主电极及第一电阻元件的另一端,并且第一电容元件的另一端接地,第二反相器,其输入端连接到第一电容元件的一端,并且其输出端连接到第一类第三MOSFET的控制端,具有第一类导电性的第一类第五MOSFET,其控制电极连接到第一反相器的输出端,并且其第一主电极连接到驱动电源端,具有第二类导电性的第二类第七MOSFET,其控制电极连接到第一反相器的输出端,其第一主电极接地,并且其第二主电极连接到第一类第五MOSFET的第二主电极,第二电阻元件,其一端连接到第一类第五MOSFET的第二主电极,并且其另一端连接到第二类第七MOSFET的第二主电极,第二电容元件,其一端连接到第一类第五MOSFET的第二主电极及所述电阻元件的一端,并且其另一端连接到所述驱动电源端,以及第三反相器,其输入端连接到第二电容元件的一端,并且其输出端连接到第二类第五MOSFET的控制端。
7.根据权利要求5所述的电压测量装置,其中,所述延迟单元包括:第四反相器,其输入端连接到第一反相器的输出端,第一电阻元件,其一端连接到第四反相器的输出端,第一节点,其阴极连接到第四反相器的输出端,第一电容元件,其一端连接到另一个第一电阻元件及第一二极管的阳极,并且其另一端接地,第二反相器,其输入端连接到第一电容元件的一端,并且其输出端连接到第一类第三MOSFET的控制端,第二电阻元件,其输入端连接到第五反相器连接到第一反相器的输出端,并且其一端连接到第五反相器的输出端,第二二极管,其阳极连接到第五反相器的输出端,第二电容元件,其一端连接到第一电阻元件的另一端和第二二极管的阴极,并且其另一端接地,以及第三反相器,其输入端连接到第二电容元件的一端,并且其输出端连接到第二类第五MOSFET的控制端。
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