CN220234204U - 一种预充防反电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种预充防反电路，其预充电路与防反电路串联连接于直流母线正负极之间支撑电容的充电回路中；预充电路的控制端，连接于预充驱动电路的输出端；防反电路的控制端，连接于防反驱动电路的输出端；预充驱动电路的输入端及防反驱动电路的输入端，均通过电源模块，连接直流母线的正负极；该电源模块的存在，隔开了现有技术中预充电路和防反电路中开关管的栅极电压与直流母线电压之间的关系；当直流母线电压达到该电源模块的开启电压后，该电源模块得电工作，进而可以实现对于预充电路和防反电路的驱动控制，使得预充电路和防反电路的驱动控制过程可控，降低了开关管损坏的风险，提高了预充防反电路的运行可靠性。

Description

一种预充防反电路

技术领域

本实用新型涉及电机控制器供电防护技术领域，特别涉及一种预充防反电路。

背景技术

利用预充防反电路可以提高电机控制器供电过程中的安全性和可靠性；参见图1，预充部分(主要包括MOS管Q1)的功能是给电机控制器直流母线正负极之间的支撑电容C1充电，以减少高压继电器闭合时的高压冲击损坏高压零部件；防反部分(主要包括MOS管Q2)的功能是防止电路在充电时由于正负极反接而对相应充电元器件造成损坏。

在现有技术中，预充MOS管Q1和防反MOS管Q2作为上述两部分中各自的开关，串联连接于直流母线充电回路的负极上(如图1所示)，通过各MOS管栅极上的电阻、电容参数来控制其通断的速度；当接入直流母线电压时，各自MOS管栅极上的电容会通过相关的电阻充电，逐步抬升栅极电压。当这些栅极电容的电压上升到MOS管的开通阈值VGS-th时，MOS管开通，将电机控制器完整接入供电系统中。

但是，在现有技术中，MOS管的开通和关断是通过位于MOS管的栅极分压电阻实现的，其分压值受母线支撑电容电压影响，因此该过程是不可控的，导致MOS管在放大区的工作时长增加，易超过安全工作区；而且，支撑电容电压过大还会增大MOS管损坏的风险；进而导致基于MOS管的预充防反电路运行可靠性降低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种预充防反电路，以提高预充防反电路在运行中的可靠性，并保护开关管。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供了一种预充防反电路，包括：预充电路、防反电路、预充驱动电路及防反驱动电路；其中，

所述预充电路与所述防反电路，串联连接于直流母线正负极之间支撑电容的充电回路中；

所述预充电路的控制端，连接于所述预充驱动电路的输出端；

所述防反电路的控制端，连接于所述防反驱动电路的输出端；

所述预充驱动电路的输入端及所述防反驱动电路的输入端，均通过电源模块，连接所述直流母线的正负极。

可选的，所述预充电路包括：第一开关管和预充电阻；其中，

所述预充电阻连接于所述第一开关管的源极与漏极之间；所述第一开关管的栅极，作为所述预充电路的控制端。

可选的，所述防反电路包括：第二开关管；其中，

所述第二开关管中体二极管的导通方向，为向所述支撑电容进行充电的方向；

所述第二开关管的栅极，作为所述防反电路的控制端。

可选的，所述防反电路，还包括：RCD吸收电路；其中，

所述RCD吸收电路连接于所述第二开关管的源极与漏极之间。

可选的，所述预充驱动电路及所述防反驱动电路，串联连接于所述充电回路的正极传输支路中。

可选的，所述预充驱动电路及所述防反驱动电路中，均包括相应的驱动芯片及其外围电路；

所述驱动芯片的VE引脚，与所述防反电路或所述预充电路中开关管的源极相连；

所述驱动芯片的DESAT引脚，依次通过相应的电阻、稳压二极管及二极管，与所述防反电路或所述预充电路中开关管的漏极相连；

所述驱动芯片的OUT引脚，通过相应的电阻，与所述防反电路或所述预充电路中开关管的栅极相连。

可选的，还包括：所述电源模块。

可选的，所述电源模块包括：第一变换模块、第二变换模块、第三变换模块和第四变换模块；其中，

所述第一变换模块的输入端作为所述电源模块的输入端；

所述第一变换模块的输出端，分别与所述第二变换模块和第三变换模块的输入端对应连接；

所述第二变换模块的输出端输出所述预充驱动电路及防反驱动电路的副边正极电压和副边负极电压；

所述第三变换模块的输出端，输出所述预充驱动电路及防反驱动电路的原边第一供电电压，并与所述第四变换模块的输入端相连；

所述第四变换模块的输出端输出所述预充驱动电路及防反驱动电路的原边第二供电电压。

本实用新型提供的上述预充防反电路，其采用预充电路与防反电路串联连接于直流母线正负极之间支撑电容的充电回路中；预充电路的控制端，连接于预充驱动电路的输出端；防反电路的控制端，连接于防反驱动电路的输出端；预充驱动电路的输入端及防反驱动电路的输入端，均通过电源模块，连接直流母线的正负极；本实用新型通过该电源模块的存在，隔开了现有技术中预充电路和防反电路中开关管的栅极电压与直流母线电压之间的关系；当直流母线电压达到该电源模块的开启电压后，该电源模块得电工作，进而可以实现对于预充电路和防反电路的驱动控制，使得预充电路和防反电路的驱动控制过程可控，降低了开关管损坏的风险，提高了预充防反电路的运行可靠性。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的一种预充防反电路结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种预充防反电路结构图；

图3a为本实用新型实施例提供的预充防反电路正向电流路径示意图；

图3b为本实用新型实施例提供的预充防反电路反向电流路径示意图；

图4a为本实用新型实施例提供的一种驱动芯片引脚及其外围电路连接示意图；

图4b为本实用新型实施例提供的另一种驱动芯片引脚及其外围电路连接示意图；

图4c为本实用新型实施例提供的又一种驱动芯片引脚与预充防反电路对应端的连接示意图；

图5为本实用新型实施例提供的电源模块的结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请中，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。

本申请提供了一种预充防反电路，如图2所示，该预充防反电路包括：预充电路101、防反电路102、预充驱动电路103及防反驱动电路104；其中：预充电路101与防反电路102，串联连接于直流母线正负极(如图2中﹢和﹣所示)之间支撑电容C1的充电回路中。

可选的，图2只是示例性的展示一种预充电路101与防反电路102串联连接于直流母线正极传输支路中的实现形式，在实际应用中，预充电路101与防反电路102也可以串联连接于直流母线负极传输支路中，根据实际情况自行选择即可。

值得说明的是，现有技术中因电容上电瞬间为短路状态，预充部分和防反部分位于直流母线负极上会导致上电瞬间出现高共模电压，电机控制器内部采集回路出现电压尖峰，存在损坏风险；因此，在实际应用中，可以设置该预充电路101及防反电路102，串联连接于充电回路的正极传输支路中，以降低出现高共模电压的风险，提高预充防反电路的运行可靠性。

预充电路101的控制端，连接于预充驱动电路103的输出端。

防反电路102的控制端，连接于防反驱动电路104的输出端。

预充驱动电路103的输入端及防反驱动电路104的输入端，均通过电源模块105，连接直流母线的正负极。

可选的，其直流母线正负极之间的电压，也即直流母线电压，可以是270V；其支撑电容C1起到支撑直流母线电压，维持直流母线电压稳定的作用。

具体的工作原理为：

上电初始阶段，直流母线通过该预充电路101和防反电路102中相应的器件以较小电流向支撑电容C1进行预充，当支撑电容C1两端直流母线电压达到电源模块105的开启电压后，该电源模块105得电工作，其开启电压可以根据实际情况进行调整，此处不做限定；电源模块105得电工作后，控制预充驱动电路103向预充电路101的控制端发送控制信号，并控制防反驱动电路104向防反电路102的控制端发送控制信号；当预充电路101和防反电路102的控制端接收到传输的控制信号之后，开通自身，从而使得预充电路101、防反电路102和支撑电容C1构成充电回路，实现了相应的预充防反功能。

本实施例提供的该预充防反电路可以应用于一体式燃油泵控制器中，其采用上述原理利用控制信号控制预充电路101和防反电路102的开通，可以代替现有技术中由栅极电路上的电容、电压等参数控制预充部分和防反部分开通和关断的过程；从而，使得预充电路101和防反电路102的驱动控制过程可控，降低了开关管损坏的风险，提高了预充防反电路的运行可靠性。

本实施例在上一实施例的基础之上，给出了各电路的一些具体实现形式，参见图3a，该预充电路101包括：第一开关管Q1和预充电阻R1；其中，预充电阻R1连接于第一开关管Q1的源极与漏极之间；第一开关管Q1的栅极，作为预充电路101的控制端。该防反电路102具体包括：第二开关管Q2；其中，第二开关管Q2中体二极管的导通方向，为向支撑电容C1进行充电的方向；第二开关管Q2的栅极，作为防反电路102的控制端。

具体的，预充电阻R1起到预充电压的作用，在上电初始时刻，电流i1(如图3a所示)从直流母线的正极流向负极且第一开关管Q1和第二开关管Q2均未导通的情况下，预充电阻R1和第二开关管Q2的体二极管分别构成充电回路的一部分，给支撑电容C1进行预充电。

优选的，如图3a中所示，该防反电路102，还可以进一步包括：RCD吸收电路201；该RCD吸收电路201连接于第二开关管Q2的源极与漏极之间。

如图3a中所示，该RCD吸收电路201具体包括：电容C2、二极管D1和电阻R2；其中，电阻R2与二极管D1并联连接，然后与电容C2串联连接于第二开关管Q2的漏极和源极之间；二极管D1的导通方向与第二开关管Q2的体二极管相反。

实际应用中，上述第一开关管Q1和第二开关管Q2可以采用N沟道增强型Mosfet(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管)。

具体的工作原理为：

假设电源正常接入直流母线，在上电初始阶段，电流i1的流向将如图3a中带箭头的虚线所示；但是由于此时第一开关管Q1的栅极电压V1还未达到开通阈值VGS-th，也即V1<VGS-th，因此，预充电路101的输入端和输出端之间处于高阻态，电流i1无法从第一开关管Q1自身通过；在此时，电流i1会直接通过预充电路101中的预充电阻R1和防反电路102中第二开关管Q2的体二极管为后端的支撑电容C1进行预充电；直到支撑电容C1两端的直流母线电压超过该电源模块105的开启电压时，电源模块105开始工作，输出偏置电压给预充驱动电路103和防反驱动电路104；预充驱动电路103和防反驱动电路104得电，分别驱动第一开关管Q1和第二开关管Q2动作，完成上电过程。

本实施例中，当直流母线电压达到该电源模块105的开启电压后，该电源模块105得电工作，将电压传输到预充驱动电路103和防反驱动电路104中，再通过预充驱动电路103和防反驱动电路104，分别控制第一开关管Q1和第二开关管Q2开通，使该开关管开通的过程是可以被控制的，增加了操作的便捷性，降低对开关管造成的损害，提高预充防反电路在运行中的可靠性。

在实际应用中，如果出现直流母线正负极反接的情况，如图3b所示，充电回路中的电流i2(如图3b中的带箭头的虚线所示)的方向与正常电流(如图3a中所示的i1)方向相反，此时第二开关管Q2中体二极管处于反向截止状态，电流i2无法通过第二开关管Q2进入到设备内部，起到反接保护作用。

在上述实施例的基础之上，本实施例示例性的给出了预充驱动电路103及防反驱动电路104的一种具体实现形式，如图4a和4b所示，该预充驱动电路103及防反驱动电路104中，均包括相应的驱动芯片及其外围电路。

实际应用中，该驱动芯片的型号可以为HSA6880-Q；该型号的驱动芯片各个引脚可以如图4a和图4b中所示，在此主要针对本申请中需要用到的引脚与预充电路101和防反电路102的连接关系进行如下说明：

图4a对预充驱动电路103进行展示，驱动芯片U67、电容C350、C354-C357、C369-C370、电阻R278-R287、磁珠B18、二极管D108及稳压管DZ8构成桥式驱动电路。其驱动芯片U67的VE引脚，与预充电路101中第一开关管Q1的源极(如图4c中的COM_YF端)相连；该驱动芯片U67的DESAT引脚，依次通过相应的电阻(如图4a中的R278)、稳压二极管(如图4a中的DZ8)及二极管(如图4c中的D107)，与预充电路101中第一开关管Q1的漏极(如图4c中的DESAT_Y端)相连；该驱动芯片U67的OUT引脚，通过相应的电阻(如图4a中的R279)，与预充电路101中第一开关管Q1的栅极(如图4c中的G_Y端)相连。

预充电路101的工作原理为：电机控制器上电瞬间，驱动芯片U67无电源输入，第一开关管Q1的栅极为下拉状态，电源经预充电阻R1进电机控制器给支撑电容C1充电，当支撑电容C1两端电压到达电源模块105的开启电压、使其有输出后，驱动芯片U67得电工作，因驱动芯片U67脉冲输入管脚IP为上拉状态，驱动第一开关管Q1导通将预充电阻R1旁路，完成上电过程。

图4b对防反驱动电路104进行展示，驱动芯片U68、电容C363-C373、电阻R278-R287、磁珠B19、二极管D111-D113及稳压管DZ9构成桥式驱动电路。其驱动芯片U68的VE引脚，与防反电路102中第二开关管Q2的源极(如图4c中的COM_YF端)相连；该驱动芯片U68的DESAT引脚，依次通过相应的电阻(如图4b中的R284)、稳压二极管(如图4b中的DZ9)及二极管(如图4c中的D112)，与防反电路102中第二开关管Q2的漏极(如图4c中的DESAT_F端)相连；该驱动芯片U68的OUT引脚，通过相应的电阻(如图4b中的R8)，与防反电路102中第二开关管Q2的栅极(如图4c中的G_F端)相连。

防反电路102的工作原理为：电源正常接入时，电流经过第二开关管Q2自带体二极管到后级电路；但如果电源反接时，第二开关管Q2的体二极管为反向截止状态，电源无法通过直流母线负极入到设备内部，起到反接保护作用。

图4a和图4b只是示例性的将该外围电路的一种设计方案进行了展示，所含各器件及其与驱动芯片对应引脚之间的连接关系，参见图中所示即可，此处不再一一赘述；实际应用中，该外围电路可以根据实际情况进行改动，并不仅限于图4a和图4b中所示，均在本申请的保护范围内。

如图4c所示为驱动芯片引脚与预充电路101和防反电路102对应端的连接示意图；P-in为预充电路101的输入端，P-out为防反电路102的输出端，连接于支撑电容C1的充电回路中；图4c中的G_Y、DESAT_Y、G_F、DESAT_F和COM_YF端，分别与图4a和图4b中预充电路101和防反电路102的驱动芯片引脚对应相连，以接收开关管的控制信号。

本实施例通过将预充驱动电路103和防反驱动电路104中驱动芯片的引脚与预充电路101和防反电路102对应连接，驱动芯片上的信号通过对应端子连接传输到预充电路101和防反电路102中，可以有效控制预充电路101和防反电路102中开关管的开通状态，使开关管工作在安全区域，提高预充防反电路的可靠性；同时，该电路利用驱动芯片自带的DEAST退饱和保护功能，检测MOS管的漏极-源极压降，当发生电源突变或瞬时掉电情况时，流经开关管的电流大于设定阈值，MOS管漏极-源极压降达到一定值，驱动芯片FALUT引脚信号拉低并强行将IP引脚信号拉低，封锁输出，保护开关管不因过电流而发生损坏。

实际应用中，图2至图3b中所示的电源模块105，可以是独立封装的模块，也可以用电机控制器中本身自带的辅助电源来实现这个电源模块105的功能；当其独立时，其可以属于该预充防反电路，此时，如图5所示，该电源模块105的结构具体包括：第一变换模块301、第二变换模块302、第三变换模块303和第四变换模块304；其中：

第一变换模块301的输入端作为电源模块105的输入端；第一变换模块301的输出端分别与第二变换模块302和第三变换模块303的输入端对应连接；第二变换模块302的输出端输出预充驱动电路103及防反驱动电路104的副边正极电压VON和副边负极电压VOFF；第三变换模块303的输出端输出预充驱动电路103及防反驱动电路104的原边第一供电电压VCC5，并与第四变换模块304的输入端相连；第四变换模块304的输出端输出预充驱动电路103及防反驱动电路104的原边第二供电电压VCC12。

具体的，第一变换模块301的输入端正极为270P，输入端负极为270N，分别连接图2中所示的直流母线正负极；实际应用中，该第一变换模块301可以是将270V的电压转化成28V的电压，第二变换模块302负责将28V电压转化成为15V的副边正极电压VON和-7V的副边负极电压VOFF；第三变换模块303将28V电压转化成5V的原边第一供电电压VCC5；第四变换模块304将第三变换模块303输出的5V电压转化成12V的原边第二供电电压VCC12。

以图5所示电源模块105的具体结构进行测试，若使用接触器上电，测量电源模块105的270V电源输入和28V电源输出，具体的时间统计如表1所示：

表1电源模块的测试时间统计表

序号	270-28V时间	270-28V升至16V时间
			1	46.5ms	55ms
2	47ms	55ms
			3	46.6ms	55.6ms
4	46.4ms	56ms

开路上电时，对于预充MOS管(也即上述第一开关管Q1)的测试：

(1)270V上电测试：开通时间50ms，开通最大电流32.12A。

(2)300V上电测试:开通时间50ms，开通最大电流37A。

(3)350V上电测试:开通时间50ms，开通最大电流39A。

短路断电时，对于防反MOS管(也即上述第二开关管Q2)的测试，从预充防反MOS管的栅极电压及母线电流波形，可看出上电后预充防反MOS管栅极均能有效打开，断电后预充防反MOS管栅极均能有效关断。而且，从断电波形中可以看出，断电瞬间，防反MOS管漏极-源极间立即建立压差，超过防反MOS管DESAT保护检测阈值后(检测压降值为1.7V)，防反MOS管栅极关断，7.2ms后自动复位拉高，再次保护关断，直至驱动芯片副边供电消失。

短时上下电时，对于270V上下电测试，分别测量防反MOS管漏极-源极间电压、断电反灌母线电流、断电反灌预充MOS管电流及防反MOS管栅极电压。从整体断电上电波形可以看出，断电瞬间防反MOS管漏极-源极间电压为696V，反灌母线电流为615.6A，上电瞬间预充MOS管电流为40A。从断电瞬间放大图可看出，防反MOS管在2.5us内有效关闭。

需要说明的是，图5仅为一种具体示例，实际应用中，各变换模块并不仅限于上述电压变换规格，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

本实施例中，通过电源模块105各结构分工的不同，输出不同电压到对应的位置上，为实现各开关管的开通提供了很好的支持作用；另外，因支撑电容C1上电瞬间为短路状态，预充防反电路可以利用电机控制器上电电源模块105输出电压时序，实现电容的缓冲上电过程，降低对电路中元器件的损害，进而提高了预充防反电路的运行可靠性。

最后，还需要说明的是，在本文中，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。

本说明书中各个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种预充防反电路，其特征在于，包括：预充电路、防反电路、预充驱动电路及防反驱动电路；其中，

所述预充电路与所述防反电路，串联连接于直流母线正负极之间支撑电容的充电回路中；

所述预充电路的控制端，连接于所述预充驱动电路的输出端；

所述防反电路的控制端，连接于所述防反驱动电路的输出端；

所述预充驱动电路的输入端及所述防反驱动电路的输入端，均通过电源模块，连接所述直流母线的正负极。

2.根据权利要求1所述的预充防反电路，其特征在于，所述预充电路包括：第一开关管和预充电阻；其中，

所述预充电阻连接于所述第一开关管的源极与漏极之间；

所述第一开关管的栅极，作为所述预充电路的控制端。

3.根据权利要求1所述的预充防反电路，其特征在于，所述防反电路包括：第二开关管；其中，

所述第二开关管中体二极管的导通方向，为向所述支撑电容进行充电的方向；

所述第二开关管的栅极，作为所述防反电路的控制端。

4.根据权利要求3所述的预充防反电路，其特征在于，所述防反电路，还包括：RCD吸收电路；其中，

所述RCD吸收电路连接于所述第二开关管的源极与漏极之间。

5.根据权利要求1至4任一项所述的预充防反电路，其特征在于，所述预充驱动电路及所述防反驱动电路，串联连接于所述充电回路的正极传输支路中。

6.根据权利要求1至4任一项所述的预充防反电路，其特征在于，所述预充驱动电路及所述防反驱动电路中，均包括相应的驱动芯片及其外围电路；其中，

所述驱动芯片的VE引脚，与所述防反电路或所述预充电路中开关管的源极相连；

所述驱动芯片的DESAT引脚，依次通过相应的电阻、稳压二极管及二极管，与所述防反电路或所述预充电路中开关管的漏极相连；

所述驱动芯片的OUT引脚，通过相应的电阻，与所述防反电路或所述预充电路中开关管的栅极相连。

7.根据权利要求1至4任一项所述的预充防反电路，其特征在于，还包括：所述电源模块。

8.根据权利要求7所述的预充防反电路，其特征在于，所述电源模块包括：第一变换模块、第二变换模块、第三变换模块和第四变换模块；其中，

所述第一变换模块的输入端作为所述电源模块的输入端；

所述第一变换模块的输出端，分别与所述第二变换模块和第三变换模块的输入端对应连接；

所述第二变换模块的输出端输出所述预充驱动电路及防反驱动电路的副边正极电压和副边负极电压；

所述第三变换模块的输出端，输出所述预充驱动电路及防反驱动电路的原边第一供电电压，并与所述第四变换模块的输入端相连；

所述第四变换模块的输出端输出所述预充驱动电路及防反驱动电路的原边第二供电电压。