CN210652697U - 基于igbt模块的动力电池预充电开关装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，用于控制动力电池的预充电支路的通断，它包括低压辅助电源、微控制器、低压控制电路、隔离开关电源、门极驱动电路和IGBT模块；其中，所述IGBT模块连接在预充电支路中；所述低压辅助电源通过低压控制电路与所述隔离开关电源相连，适于向所述隔离开关电源提供低压电源；所述微控制器与所述低压控制电路相连，适于控制所述低压控制电路通断；所述隔离开关电源与所述门极驱动电路相连；所述门极驱动电路与所述IGBT模块相连。本实用新型使用IGBT模块作为执行开关，既能增强预充电开关动作的实时性，也降低了对微控制器驱动能力的要求，并具有良好的电磁兼容特性，还具有小型化和低成本化等开发优势。

Description

基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置
技术领域
本实用新型涉及一种基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置。
背景技术
随着新能源科技的不断发展，电动汽车的使用已经越来越普遍。与传统汽车以内燃机做功为动力源的特点不同，电动汽车是以电动机做功作为其动力源。而电动机运行工作之前都需要经历一个上电启动阶段，由于电动机输入端有存在很多大电容器，为了有效地抑制电动机上电阶段的瞬态电流，增强储能系统的电气安全特性，需要对电动机上电过程进行有效地管控，最常用的管控方法是预充电方法。该方法是指在电动机上电阶段中先通过闭合一条包含限流电阻的预充电支路且待到电动机输入端电压缓慢提升到预设的电压值，再将该预充电支路断开，并将主回路接通，此时电动机预充电过程完成而进入正常工作状态。预充电过程是每次电动机上电启动所必须经历的阶段，因此它能否有效地运行工作对电动汽车运行的稳定性和安全性有重要影响。
传统方法中是采用高压继电器来执行预充电支路通断状态切换的，虽然高压继电器断开时具有良好的耐压绝缘特性，但是仍然存在响应速度慢、执行动作延时长等实时性差的缺点；高压继电器执行开关动作耗能较高，绝大部分控制器输出电流较小，无法直接驱动高压继电器执行开关动作，还需要额外增加辅助电路来增强其驱动能力；同时高压继电器开关过程容易产生较强的电磁干扰，电磁兼容性差；高压继电器的体积大且价格高昂，应用于电动汽车的电池断路单元和配电盒等零部件装置时，不利于实现这些电气装置的小型化和低成本化的改进。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，它使用IGBT模块作为执行开关，既能增强预充电开关动作的实时性，也降低了对微控制器驱动能力的要求，并具有良好的电磁兼容特性，还具有小型化和低成本化等开发优势。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，用于控制动力电池的预充电支路的通断，它包括低压辅助电源、微控制器、低压控制电路、隔离开关电源、门极驱动电路和IGBT模块；其中，
所述IGBT模块连接在预充电支路中；
所述低压辅助电源通过低压控制电路与所述隔离开关电源相连，适于向所述隔离开关电源提供低压电源；
所述微控制器与所述低压控制电路相连，适于控制所述低压控制电路通断；
所述隔离开关电源与所述门极驱动电路相连，适于将低压电源转换为高压电源以向门极驱动电路供电；
所述门极驱动电路与所述IGBT模块相连，适于将高压电源转换为驱动信号以驱动IGBT模块导通以使得预充电支路处于导通状态。
进一步，所述微控制器基于其输出的数字电平信号控制低压控制电路通断。
进一步提供了一种低压控制电路的具体结构，所述低压控制电路包括：
MOS管Q1，连接在低压辅助电源和隔离开关电源之间，适于将低压辅助电源输出的低压电源输送至隔离开关元件；
三极管Q2，连接在微控制器和MOS管Q1之间，适于将微控制器输出的控制信号进行电流放大且信号反相转换以控制MOS管Q1的闭合或关断。
进一步，所述MOS管Q1为增强型P沟道MOS管Q1，其源极s连接于低压辅助电源正端，其漏极d连接于隔离电源开关输入端，所述低压辅助电源负端连接于电源地 GND；
所述三极管Q2为NPN型三极管Q2，其基极b通过电阻R3连接于微控制器的控制信号输出端，其集电极c通过电阻R2与所述MOS管Q1的栅极g相连，其发射极e 连接于电源地GND。
进一步为了保持MOS管Q1的栅极g和源极s之间的驱动电压的稳定，所述低压控制电路还包括电阻R1和二极管D1，电阻R1和二极管D1分别并联在MOS管Q1的栅极g和源极s之间，其中，所述二极管D1的阳极与MOS管的栅极g相连，所述齐纳二极管D1的阴极与MOS管的源极s相连；
和/或为了保证在低压控制电路处于初始状态时，三极管Q2处于断路状态，所述低压控制电路还包括连接于三极管Q2的基极b和发射极e之间的电阻R4。
进一步提供了一种隔离开关电源的具体结构，所述隔离开关电源包括：
隔离变压器T1；
变压器驱动器U1，其供电端U分别连接于低压控制电路输出端和隔离变压器T1 原边侧中端，其信号端P连接于隔离变压器T1原边侧上端，其信号端N连接于隔离变压器T1原边侧下端；
全桥电路，所述全桥电路为由二极管D2和二极管D4组成的串联电路与由二极管D3和二极管D5组成的串联电路并联而成，二极管D2和二极管D4的连接点与隔离变压器T1副边侧上端相连，二极管D3和二极管D5的连接点与隔离变压器T1副边侧下端相连，二极管D3与二极管D5的阳极并联端作为隔离开关电源输出的隔离地 ISO_GND，二极管D4和二极管D5的阴极并联端作为隔离开关电源输出的电源端。
进一步为了提高隔离开关电源的瞬态响应能力，隔离开关电源输出的电源端和隔离开关输出的隔离地ISO_GND之间并联有电容C3。
进一步提供了一种门极驱动电路的具体结构，所述门极驱动电路包括PNP型三极管Q3、TVS管D6、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述IGBT模块包括IGBT晶体管；其中，
所述PNP型三极管Q3的发射极e连接于隔离开关电源输出的电源端，PNP型三极管Q3的基极b连接于TVS管D6的阴极，所述TVS管D6的阳极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端连接于隔离开关电源输出的隔离地ISO_GND，所述PNP型三极管Q3的集电极c通过电阻R6连接于IGBT晶体管的栅极G，所述电阻R7并联在IGBT 晶体管的栅极G和发射极E之间以作为泄流电阻。
进一步提供了一种预充电支路的具体结构，所述预充电支路包括动力电池和电动机负载，所述动力电池正端与所述IGBT晶体管的集电极C相连，所述电动机负载正端通过预充电阻与所述IGBT晶体管的发射极E相连。
采用了上述技术方案后，低压控制电路用于实现微控制器输出数字电平信号来对隔离开关电源进行供电控制；隔离开关电源用于将低压辅助电源供电转换为高压开关器件驱动电路的供电电源；门极驱动电路用于将隔离开关电源输出电压转换成驱动IGBT模块所需的信号，本实用新型主要应用于电动汽车的电池断路单元和配电盒，相比于现有的采用高压继电器作为预充电开关部件的方式，本实用新型具有以下优势：
(1)本实用新型能快速响应控制信号，并加快开关动作执行速率；
(2)本实用新型中开关动作所产生的瞬态功耗小，EMI特性良好；
(3)本实用新型中IGBT模块所需的控制信号功率很小，对微控制器驱动能力要求较低；
(4)本实用新型具有体积小且成本低的特点，能适应动力电池储能系统的小型化和低成本化的发展趋势。
附图说明
图1为本实用新型的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置的原理框图。
具体实施方式
为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，用于控制动力电池的预充电支路的通断，它包括低压辅助电源、微控制器、低压控制电路、隔离开关电源、门极驱动电路和IGBT模块；其中，
所述IGBT模块连接在预充电支路中；
所述低压辅助电源通过低压控制电路与所述隔离开关电源相连，适于向所述隔离开关电源提供低压电源；
所述微控制器与所述低压控制电路相连，适于控制所述低压控制电路通断；
所述隔离开关电源与所述门极驱动电路相连，适于将低压电源转换为高压电源以向门极驱动电路供电；
所述门极驱动电路与所述IGBT模块相连，适于将高压电源转换为驱动信号以驱动IGBT模块导通以使得预充电支路处于导通状态。
具体地，所述微控制器基于其输出的数字电平信号控制低压控制电路通断。
如图1所示，所述的低压控制电路主要由增强型P沟道MOS管Q1，NPN型三极管Q2，二极管D1，电容C1以及电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4等器件组成。其中，电容C1作为去耦电容连接在低压辅助电源正端和负端之间，低压辅助电源正端作为整个预充电开关装置的供电电源，低压辅助电源负端则作为整个预充电开关装置的电源地GND；增强型P沟道MOS管Q1作为将低压辅助电源输送至隔离开关电源的执行开关元件，其源极s连接于低压辅助电源正端，其漏极d连接于隔离开关电源的输入端；电阻R1和二极管D1分别并联于增强型P沟道MOS管Q1的源极s和栅极g之间，用于保持增强型P沟道MOS管Q1的栅极g和源极s之间驱动电压的稳定，防止驱动信号电压过高造成P沟道MOS管Q1击穿失效；NPN型三极管Q2用于将微控制器输出的控制信号进行电流放大且信号反相转换来驱动控制增强型P沟道MOS管Q1的闭合或关断，其集电极c和增强型P沟道MOS管Q1的栅极g分别连接于电阻R2，其基极b通过电阻R3连接于微控制器的控制信号输出端，其发射极e直接连接于电源地 GND；电阻R4连接于NPN型三极管Q2的基极b与发射极e之间，用于保证整个低压控制电路处于初始状态时NPN型三极管Q2处于断路状态。
在本实施例中，所述二极管D1为齐纳二极管D1。
如图1所示，所述的隔离开关电源主要由变压器驱动器U1，隔离变压器T1，电容C2、电容C3以及二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5等器件组成。其中，变压器驱动器U1的供电端U与隔离变压器T1原边侧中端相连，并且该供电端U也连接于低压控制电路输出端，电容C2连接于该供电端U和电源地GND之间，用于为电源输入提供去耦作用；而变压器驱动器U1的信号端P连接于隔离变压器T1原边侧的上端，变压器驱动器U1的信号端N连接于隔离变压器T1原边侧的下端，信号端P和信号端N产生频率相同且相位相反的PWM信号用于驱动隔离变压器T1将供电电源进行隔离转换；而二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5组成全桥电路配合隔离变压器T1将原边侧的供电电源进行隔离转换，其中，二极管D2和二极管D4串联再与二极管D3和二极管D5串联电路进行并联，而二极管D2和二极管D4的连接点与隔离变压器T1副边侧上端相连，二极管D3和二极管D5的连接点与隔离变压器T1副边侧下端相连，二极管D2和二极管D3阳极的并联端作为隔离开关电源输出的隔离地 ISO_GND，而二极管D4和二极管D5阴极的并联端作为隔离开关电源输出的电源端；电容C3并联于隔离开关电源输出端，用作去耦电容，有利于提高隔离开关电源的瞬态响应能力。
在本实施例中，所述二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5均为齐纳二极管。
如图1所示，所述的门极驱动电路主要由PNP型三极管Q3，TVS管D6以及电阻 R5、电阻R6和电阻R7等器件组成，IGBT模块包括IGBT晶体管；其中，电阻R6连接于IGBT晶体管的栅极G，用作限制IGBT晶体管的驱动电流，防止驱动电流过大损坏IGBT晶体管；电阻R7并联于IGBT晶体管的栅极G和发射极E之间，用作泄流电阻，加快IGBT晶体管下电关断过程，并能防止IGBT晶体管因静电荷累积引起过压击穿而失效；PNP型三极管Q3作为将隔离开关电源输送至IGBT晶体管的栅极G的执行开关元件，它的发射极e连接于隔离开关电源输出的电源端，它的集电极c连接于IGBT 晶体管输入电阻R6的一端，而它的基极b通过TVS管D6与电阻R5连接于隔离地 ISO_GND；TVS管D6和电阻R5组成串联电路，用于监测三极管Q3基极b电位达到 TVS管D6击穿阈值而形成基极电流开启三极管Q3，并引导隔离开关电源输出电压来驱动IGBT晶体管；电阻R6的另一端与IGBT晶体管的栅极G相连。
本实用新型涉及的硬件电路工作过程具体表述为：
起始阶段，低压辅助电源输出供电电压，但是微控制器输出的控制信号处于低电平状态，三极管Q2无基极电流而处于关断状态，MOS管Q1的栅极g和源极s均处于高电平状态，栅源电压差很小导致MOS管Q1也处于关断状态，隔离开关电源则没有电压输入处于停机状态，而IGBT晶体管没有驱动信号则处于关断状态，以至于预充电支路处于关断状态；
低压控制电路上电阶段，低压辅助电源输出供电电压，并且微控制器输出的控制信号由低电平变为高电平状态，三极管Q2得到基极电流而处于开通状态，MOS管Q1的源极s仍保持高电平而栅极g因负电荷注入处于低电平状态，此时MOS管Q1因栅源电压升高而处于导通状态，因而低压辅助电源输出电压被输送至隔离开关电源，而隔离开关电源启动电压转换过程；
隔离开关电源工作阶段，变压器驱动器U1开始工作，其信号端P与信号N产生相同频率且相位相反的PWM信号；当信号端P为高电平，则信号端N为低电平，此时供电电源输出电流从隔离变压器T1原边侧中端流向下端，而突变电动势使得隔离变压器 T1副边侧开始输出电流，并使得全桥电路中二极管D4和二极管D3导通，电容C3开始充电；当信号端P为低电平，则信号端N为高电平，此时供电电源输出电流从隔离变压器T1原边侧中端流向上端，而突变电动势使得隔离变压器T1继续输出电流，并使得全桥电路中二极管D5和二极管D2导通，电容C3继续充电；而随着电容C3不断充电，其输出电压开始逐渐上升，以至达到设定电压值而稳定下来；
驱动信号上电阶段，当隔离开关电源逐渐启动时，PNP型三极管Q3的基极b电位开始时处于低值无法达到TVS管D6的击穿阈值，从而PNP型三极管Q3处于断路状态；而隔离开关电源输出电压逐渐升高，PNP型三极管Q3的集电极c和基极b电位也都随之升高，当PNP型三极管Q3的基极b电位升高至TVS管D6的击穿阈值时，TVS管 D6开始发生击穿而短路，此时PNP型三极管Q3的基极b电位开始发生下降而形成基极电流，因此PNP型三极管Q3开始导通，显然此时隔离开关电源输出电压已经升高至设定电压的最高值而稳定下来，而PNP型三极管Q3导通后迅速引导隔离开关电源输出电压来驱动IGBT晶体管；然后，IGBT晶体管逐渐变成导通状态，预充电支路处于闭合状态；
驱动信号下电阶段，低压辅助电源输出供电电压，并且微控制器输出的控制信号由高电平变为低电平状态，NPN型三极管Q2的基极电流消失而处于关断状态，MOS管 Q1的源极s仍保持高电平而栅极g因负电荷抽走处于高电平状态，此时MOS管Q1因栅源电压降低而处于关断状态，因而低压辅助电源对隔离开关电源供电路径被切断，而隔离开关电源停止工作；随着隔离开关电源停机，PNP型三极管Q3的基极b电位开始逐渐降低并无法达到TVS管D6的击穿阈值；此时TVS管D6开始恢复断开状态而无法提供PNP型三极管Q3导通所需的基极电流，PNP型三极管Q3开始处于关断状态，给 IGBT晶体管输送驱动信号的路径被切断，IGBT晶体管的栅极G和发射极E之间电压信号开始通过电阻R7放电而降低至零；最终IGBT晶体管开始关断也导致预充电支路处于关断状态。
以上所述的具体实施例，对本实用新型解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (9)

1.一种基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，用于控制动力电池的预充电支路的通断，其特征在于，它包括低压辅助电源、微控制器、低压控制电路、隔离开关电源、门极驱动电路和IGBT模块；其中，
所述IGBT模块连接在预充电支路中；
所述低压辅助电源通过低压控制电路与所述隔离开关电源相连，适于向所述隔离开关电源提供低压电源；
所述微控制器与所述低压控制电路相连，适于控制所述低压控制电路通断；
所述隔离开关电源与所述门极驱动电路相连，适于将低压电源转换为高压电源以向门极驱动电路供电；
所述门极驱动电路与所述IGBT模块相连，适于将高压电源转换为驱动信号以驱动IGBT模块导通以使得预充电支路处于导通状态。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，所述微控制器基于其输出的数字电平信号控制低压控制电路通断。
3.根据权利要求2所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，所述低压控制电路包括：
MOS管Q1，连接在低压辅助电源和隔离开关电源之间，适于将低压辅助电源输出的低压电源输送至隔离开关元件；
三极管Q2，连接在微控制器和MOS管Q1之间，适于将微控制器输出的控制信号进行电流放大且信号反相转换以控制MOS管Q1的闭合或关断。
4.根据权利要求3所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，所述MOS管Q1为增强型P沟道MOS管Q1，其源极s连接于低压辅助电源正端，其漏极d连接于隔离电源开关输入端，所述低压辅助电源负端连接于电源地GND；
所述三极管Q2为NPN型三极管Q2，其基极b通过电阻R3连接于微控制器的控制信号输出端，其集电极c通过电阻R2与所述MOS管Q1的栅极g相连，其发射极e连接于电源地GND。
5.根据权利要求4所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，所述低压控制电路还包括电阻R1和二极管D1，电阻R1和二极管D1分别并联在MOS管Q1的栅极g和源极s之间，其中，所述二极管D1的阳极与MOS管的栅极g相连，所述二极管D1的阴极与MOS管的源极s相连；
和/或所述低压控制电路还包括连接于三极管Q2的基极b和发射极e之间的电阻R4。
6.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，所述隔离开关电源包括：
隔离变压器T1；
变压器驱动器U1，其供电端U分别连接于低压控制电路输出端和隔离变压器T1原边侧中端，其信号端P连接于隔离变压器T1原边侧上端，其信号端N连接于隔离变压器T1原边侧下端；
全桥电路，所述全桥电路为由二极管D2和二极管D4组成的串联电路与由二极管D3和二极管D5组成的串联电路并联而成，二极管D2和二极管D4的连接点与隔离变压器T1副边侧上端相连，二极管D3和二极管D5的连接点与隔离变压器T1副边侧下端相连，二极管D3与二极管D5的阳极并联端作为隔离开关电源输出的隔离地ISO_GND，二极管D4和二极管D5的阴极并联端作为隔离开关电源输出的电源端。
7.根据权利要求6所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，隔离开关电源输出的电源端和隔离开关输出的隔离地ISO_GND之间并联有电容C3。
8.根据权利要求6所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，所述门极驱动电路包括PNP型三极管Q3、TVS管D6、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述IGBT模块包括IGBT晶体管；其中，
所述PNP型三极管Q3的发射极e连接于隔离开关电源输出的电源端，PNP型三极管Q3的基极b连接于TVS管D6的阴极，所述TVS管D6的阳极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端连接于隔离开关电源输出的隔离地ISO_GND，所述PNP型三极管Q3的集电极c通过电阻R6连接于IGBT晶体管的栅极G，所述电阻R7并联在IGBT晶体管的栅极G和发射极E之间以作为泄流电阻。
9.根据权利要求8所述的基于IGBT模块的动力电池预充电开关装置，其特征在于，所述预充电支路包括动力电池和电动机负载，所述动力电池正端与所述IGBT晶体管的集电极C相连，所述电动机负载正端通过预充电阻与所述IGBT晶体管的发射极E相连。
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