CN212628665U - 一种功率开关模块及新能源车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开一种功率开关模块及新能源车辆，涉及电力电子及其应用技术领域。包括：壳体，在壳体中设有电路板，电路板上至少设有接口单元电路、驱动电源、开关驱动控制电路及功率开关器件；接口单元电路分别与驱动电源及开关驱动控制电路的输入端连接，接口单元电路用于接收外部电源及使能信号，驱动电源的输出端与开关驱动控制电路的输入端连接，用于向开关驱动控制电路提供驱动电压，开关驱动控制电路的输出端与功率开关器件的输入端连接，功率开关器件输出端上设有接线端子。可取代高压接触器用于切换高压电池的功率回路，提高功率回路切换的可靠性。

Description

一种功率开关模块及新能源车辆

技术领域

本实用新型涉及电力电子及其应用技术领域，尤其涉及一种功率开关模块及新能源车辆。

背景技术

新能源汽车中有较多的电子控制部件，比如油泵控制器、气泵控制器、空调控制器，电加热装置等，这些电子零部件其功率输入大部分是来自电动汽车的高压电池，因此，高压电池功率回路的接通与断开需要采用工作电压高的开关来实现。

目前，主要是用高压接触器来切换高压电池的功率回路，通过控制接触器的线圈通断电来控制接触器机械触点的通断，而高压接触器对带载切换是容易产生触点粘连的失效问题，可靠性相对较低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种功率开关模块及新能源车辆，可以取代高压接触器用于切换高压电池的功率回路，解决或避免上述技术问题，从而可提高功率回路切换的可靠性。

为达到上述实用新型目的，采用如下技术方案：

第一方面，本实用新型实施例提供一种功率开关模块，包括：壳体，在所述壳体中设有电路板，所述电路板上至少设有接口单元电路、驱动电源、开关驱动控制电路及功率开关器件；

所述接口单元电路分别与驱动电源及所述开关驱动控制电路的输入端连接，所述接口单元电路用于接收外部电源及使能信号，并将所述外部电源输出给所述驱动电源及将所述使能信号输出给所述开关驱动控制电路，所述驱动电源的输出端与所述开关驱动控制电路的输入端连接，用于向所述开关驱动控制电路提供驱动电压，所述开关驱动控制电路的输出端与所述功率开关器件的输入端连接，所述功率开关器件的输出端上设有接线端子，所述接线端子用于与被控回路的输入端连接。

可选地，所述电路板上还设有过流保护电路，所述过流保护电路包括电流采样电阻，所述过流保护电路分别与所述开关驱动控制电路的输出端及所述功率开关器件的输出端连接，所述过流保护电路用于在通过电流采样电阻检测到过流信号时产生自锁关断信号，切断开关驱动控制电路输出的驱动电压使功率开关器件关断。

可选地，所述电路板上还设有温度采样电路，所述温度采样电路包括温度采样传感器，所述温度采样传感器与所述功率开关器件连接，用于采集功率开关器件的工作温度，并将采集的工作温度通过所述接口单元电路发送给外部控制器。

可选地，所述壳体包括底座及连接于所述底座上的罩壳；

所述电路板包括上电路板与下电路板，所述接口单元电路与驱动电源设于所述上电路板上，所述开关驱动控制电路设于所述下电路板上，所述功率开关器件安装于所述底座上，且所述功率开关器件的引脚向上连接于所述下电路板上，所述上电路板与下电路板上下叠放连接于所述底座上。

可选地，所述上电路板上的电路与下电路板上的电路通过光电隔离器件连接。

可选地，所述接线端子为接线柱，所述接线柱设于所述下电路板上；

所述底座为散热铝板，在所述底座与所述功率开关器件、底座与所述下电路板之间设有绝缘层。

可选地，所述功率开关器件包括绝缘栅双极性晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。

可选地，所述功率开关器件包括多个绝缘栅双极性晶体管，每个所述绝缘栅双极性晶体管为一路开关；或者，

所述功率开关器件包括多个绝缘栅双极性晶体管，每个所述绝缘栅双极性晶体管为一路开关，其中一路开关的输出端到所述接线端子之间设有贴片预充电阻。

第二方面，本实用新型实施例提供一种新能源车辆，包括车体及设置于车体上的整车控制器、动力电池、用电设备及第一方面任一所述的功率开关模块，所述动力电池的输出端分别与所述整车控制器及所述功率开关模块的功率开关器件输入端的接线端子连接，所述功率开关模块的功率开关器件输出端的接线端子与所述用电设备的输入端连接，所述整车控制器与所述功率开关模块的接口单元电路连接。

本实用新型实施例提供的功率开关模块及新能源车辆，包括：壳体，在所述壳体中设有电路板，所述电路板上至少设有接口单元电路、驱动电源、开关驱动控制电路及功率开关器件；所述接口单元电路分别与驱动电源及所述开关驱动控制电路的输入端连接，所述接口单元电路用于接收外部电源及使能信号，并将所述外部电源输出给所述驱动电源及将所述使能信号输出给所述开关驱动控制电路，所述驱动电源的输出端与所述开关驱动控制电路的输入端连接，用于向所述开关驱动控制电路提供驱动电压，所述开关驱动控制电路的输出端与所述功率开关器件的输入端连接，所述功率开关器件的输出端上设有接线端子，所述接线端子用于与被控回路的输入端连接。通过开关驱动控制电路控制功率开关器件来实现被控功率回路的切换控制，可以取代高压接触器用于切换高压电池的功率回路，相对于采用高压接触器的技术方案，可以避免带载切换时接触器容易产生粘连的问题，从而可提高功率回路切换的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型功率开关模块一实施例结构示意图；

图2为本实用新型功率开关模块一实施例电路框图；

图3为本实用新型功率开关模块另一实施例电路框图；

图4为本实用新型功率开关模块又一实施例电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，为了更加清楚说明本实用新型，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本实用新型同样可以实施。另外，为了凸显本实用新型的主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本实用新型的实施。本文所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实用新型实施例提供的功率开关模块，适用于多路功率回路切换应用场景中，例如，新能源车辆上的用电设备的供电，可以取代高压接触器用于切换高压电池的功率回路，提高功率回路切换的可靠性。

参看图1及图2所示，本实用新型实施例提供的功率开关模块，包括壳体1，在所述壳体1中设有电路板2，所述电路板2上至少设有接口单元电路、驱动电源、开关驱动控制电路及功率开关器件3。

参看图2所示，所述接口单元电路分别与驱动电源及所述开关驱动控制电路的输入端连接，所述接口单元电路用于接收外部电源及使能信号，并将所述外部电源输出给所述驱动电源及将所述使能信号输出给所述开关驱动控制电路；所述驱动电源的输出端与所述开关驱动控制电路的输入端连接，用于向所述开关驱动控制电路提供驱动电压；所述开关驱动控制电路的输出端与所述功率开关器件3的输入端连接，所述功率开关器件3的输出端上设有接线端子4，所述接线端子4用于与被控回路的输入端连接。

在一些实施例中，所述接口单元电路1作为对外通信和供电接口，通过低压接插件连接于电路板上实现，可以适应新能源车上宽范围的低压供电环境。

本实用新型实施例提供的功率开关模块，采用功率开关器件3取代高压接触器，并设计了驱动功率开关器件3的电路，通过开关驱动控制电路控制功率开关器件3来实现被控功率回路的切换控制，可以取代高压接触器用于切换高压电池的功率回路，相对于采用高压接触器的技术方案，可以避免带载切换时接触器容易产生粘连的问题，从而可提高功率回路切换的可靠性。

参看图3及图4所示，在一些实施例中，所述电路板2上还设有过流保护电路，所述过流保护电路包括电流采样电阻，所述过流保护电路分别与所述开关驱动控制电路的输出端及所述功率开关器件3的输出端连接，所述过流保护电路用于在通过电流采样电阻检测到过流信号时产生自锁关断信号，切断开关驱动控制电路输出的驱动电压使功率开关器件3关断。这样，当功率开关器件3导通时，如果过流保护电路通过电流采样电阻检测到过流信号则产生一个自锁关断信号，切断驱动电源15V电压使功率开关器件3关断，从而可以对功率开关器件3进行过流保护，降低免功率开关器件3工作时产生过流损坏的风险。具体地，还可以产生一个错误信号提供给对外接口上报给外部控制器或其他控制单元；所述自锁信号需要重新上电才能解除。

在功率开关模块带载切换工作过程中，会产生高温，因此，参看图4所示，在一些实施例中，所述电路板2上还设有温度采样电路，所述温度采样电路包括温度采样传感器，所述温度采样传感器与所述功率开关器件3连接，用于采集功率开关器件3的工作温度，并将采集的工作温度通过所述接口单元电路发送给外部控制器。这样，温度采样电路通过温度采样传感器采样功率开关器件3工作的温度，并将温度采样信号发送至接口单元电路，以供外部控制器判断是否需要过温处理。

参看图1所示，所述壳体1包括底座11及连接于所述底座11上的罩壳12，所述电路板2包括上电路板21与下电路板22，所述接口单元电路与驱动电源设于所述上电路板21上，所述开关驱动控制电路设于所述下电路板22上，所述功率开关器件3安装于所述底座11上，且所述功率开关器件3的引脚向上连接于所述下电路板22上，具体地，功率开关器件3脚焊接在下电路板上，并通过锁螺钉的方式固定于底座11上；所述上电路板21与下电路板22上下叠放连接于所述底座11上。

所述上电路板21上的电路与下电路板22上的电路通过光电隔离器件连接。

所述接线端子4为接线柱，所述接线柱设于所述下电路板22上；在一些实施例中，所述接线端子4采用铜柱接线端子。

所述底座11为散热铝板，在所述底座11与所述功率开关器件3、底座11与所述下电路板22之间设有绝缘层5。

所述功率开关器件3包括绝缘栅双极性晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。当所述功率开关器件3为绝缘栅双极性晶体管(通常称为IGBT)，可选择1200V，电流40A等级的器件，可以满足辅驱类小功率控制器的高压回路功率要求。

在一些实施例中，所述功率开关器件3包括多个绝缘栅双极性晶体管，每个所述绝缘栅双极性晶体管为一路开关；或者，

所述功率开关器件3包括多个绝缘栅双极性晶体管，每个所述绝缘栅双极性晶体管为一路开关，其中一路开关的输出端到所述接线端子4之间设有贴片预充电阻。通过在一路开关的输出端到所述接线端子4之间设置贴片预充电阻，可以实现预充电的功能。

图1中示意出了采用4个功率开关器件3，形成4路相同开关的方案，可以替换4路功率相同的高压接触器，当然，本领域技术人员根据本实用新型的技术启示，如果有更大的功率需要，则可更改设计采用多管IGBT并联的方案实现。

为了更加清楚地说明本实用新型的技术方案，现结合本实施例提供的功率开关模块，应用于新能源车辆，用于对车辆上多个功率回路进行切换控制的场景对其工作原理进行说明；其中，所述外部控制器为整车控制器。

所述接口单元电路的对外接口通过低压接插件实现，其采用直插件方式焊接于上电路板21上，主要用于接收供电输入，对驱动电源供电，还用于使能信号输入、过流故障信号与温度采样信号的上传接口。

在一些实施例中，功率开关模块中还设有板级供电电源，将从接口单元输入的供电电源转换成低压宽范围供电，主要提供板级的低压供电，并适应车上836V的低压控制电输入要求。

在工作时，所述驱动电源提供给功率开关器件3IGBT一个15V的驱动电压。

功率器件IGBT的开关与否由接口单元电路输入的高低电平使能信号决定，当外部使能信号为高，则开关驱动控制电路将驱动电源产生的15V驱动电压提供给IGBT使其开通，当外部使能信号为低，则IGBT接收关断信号关断。

当功率开关IGBT导通时，如果过流保护电路检测到过流信号则产生一个自锁关断信号，切断驱动电源15V电压使IGBT关断，以实现过流保护。并产生一个故障信号提供给对外接口上报给整车控制器或其他控制单元，之后自锁信号需要重新上电才能解除。

温度采样电路，用于采集功率开关器件3的工作温度，并将温度采样信号提供至接口单元电路，供整车控制器判断是否需要过温处理。

实施例二

根据前述描述，本实用新型实施例还提供一种新能源车辆，包括车体及设置于车体上的整车控制器、动力电池、用电设备及实施例一任一所述的功率开关模块，所述动力电池的输出端分别与所述整车控制器及所述功率开关模块的功率开关器件输入端的接线端子连接，所述功率开关模块的功率开关器件3输出端的接线端子4与所述用电设备的输入端连接，所述整车控制器与所述功率开关模块的接口单元电路直接或间接连接。

本实施例提供的新能源车辆，由于具有实施例一任一所述的功率开关模块，用于切换控制多个用电设备所在的功率回路，替代了高压接触器用于切换高压电池的功率回路，可以避免带载切换时接触器容易产生粘连的问题，从而可提高功率回路切换的可靠性。

本实用新型实施例提供的功率开关模块与新能源车辆，通过采用电子电路控制功率开关器件3来实现功率回路的切换，相对于采用高压接触器的高成本方案，可以降低一半以上的成本。另外，相对于传统机械式的接触器，不存在切载时接触器粘连的问题，并且安装体积小，重量轻，电子器件集成度高，工作时所产生的功耗也大大降低。此外，对于功率器件工作时会产生过流、过温损坏的风险，还专门设计了过流保护电路和温度采样电路，从而可以保证功率开关器件3的可靠运行。

需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。诸如，第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种功率开关模块，其特征在于，包括：壳体，在所述壳体中设有电路板，所述电路板上至少设有接口单元电路、驱动电源、开关驱动控制电路及功率开关器件；

所述接口单元电路分别与驱动电源及所述开关驱动控制电路的输入端连接，所述接口单元电路用于接收外部电源及使能信号，并将所述外部电源输出给所述驱动电源及将所述使能信号输出给所述开关驱动控制电路，所述驱动电源的输出端与所述开关驱动控制电路的输入端连接，用于向所述开关驱动控制电路提供驱动电压，所述开关驱动控制电路的输出端与所述功率开关器件的输入端连接，所述功率开关器件的输出端上设有接线端子，所述接线端子用于与被控回路的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的功率开关模块，其特征在于，所述电路板上还设有过流保护电路，所述过流保护电路包括电流采样电阻，所述过流保护电路分别与所述开关驱动控制电路的输出端及所述功率开关器件的输出端连接，所述过流保护电路用于在通过电流采样电阻检测到过流信号时产生自锁关断信号，切断开关驱动控制电路输出的驱动电压使功率开关器件关断。

3.根据权利要求1所述的功率开关模块，其特征在于，所述电路板上还设有温度采样电路，所述温度采样电路包括温度采样传感器，所述温度采样传感器与所述功率开关器件连接，用于采集功率开关器件的工作温度，并将采集的工作温度通过所述接口单元电路发送给外部控制器。

4.根据权利要求1所述的功率开关模块，其特征在于，所述壳体包括底座及连接于所述底座上的罩壳；

所述电路板包括上电路板与下电路板，所述接口单元电路与驱动电源设于所述上电路板上，所述开关驱动控制电路设于所述下电路板上，所述功率开关器件安装于所述底座上，且所述功率开关器件的引脚向上连接于所述下电路板上，所述上电路板与下电路板上下叠放连接于所述底座上。

5.根据权利要求4所述的功率开关模块，其特征在于，所述上电路板上的电路与下电路板上的电路通过光电隔离器件连接。

6.根据权利要求4所述的功率开关模块，其特征在于，所述接线端子为接线柱，所述接线柱设于所述下电路板上；

所述底座为散热铝板，在所述底座与所述功率开关器件、底座与所述下电路板之间设有绝缘层。

7.根据权利要求1所述的功率开关模块，其特征在于，所述功率开关器件包括绝缘栅双极性晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。

8.根据权利要求1或4所述的功率开关模块，其特征在于，所述功率开关器件包括多个绝缘栅双极性晶体管，每个所述绝缘栅双极性晶体管为一路开关；或者，

所述功率开关器件包括多个绝缘栅双极性晶体管，每个所述绝缘栅双极性晶体管为一路开关，其中一路开关的输出端到所述接线端子之间设有贴片预充电阻。

9.一种新能源车辆，其特征在于，包括车体及设置于车体上的整车控制器、动力电池、用电设备及权利要求1至8任一所述的功率开关模块，所述动力电池的输出端分别与所述整车控制器及所述功率开关模块的功率开关器件输入端的接线端子连接，所述功率开关模块的功率开关器件输出端的接线端子与所述用电设备的输入端连接，所述整车控制器与所述功率开关模块的接口单元电路连接。

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