CN220935162U - 一种双向氮化镓驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双向氮化镓驱动电路，涉及电池管理技术领域。本实用新型实现双向GaN MOS与BMS芯片之间，保持逻辑的正常识别和建立，且该驱动电路带有基础的保护功能，在BMS芯片没有工作时，仍然能够锁定GaN MOS，使之不能够流过任何方向的电流，避免安全隐患；本技术方案的BMS系统中的Pack‑端口既能够容纳正高压即BAT电压，又能够容纳负高压，即使是在充电器反接时也不会损坏驱动电路，且驱动电路的反应速度为微秒级别，工作电流为微安级别，由此实现本行业内没有的GaN MOS驱动方案以及相关的BMS保护逻辑的实现与对接，解决了BMS行业内，无寄生二极管的双向GaN MOS应用难题。
Description
技术领域
本实用新型属于电池管理技术领域，特别是涉及一种双向氮化镓驱动电路，该电路是应用在BMS芯片、双向GaN Mos之间，实现将BMS芯片的保护逻辑正确的传递给双向GaNMos，以及BMS芯片不工作的情况下由该驱动电路全权负责保护逻辑。
背景技术
在BMS(BATTERY MANAGEMENNT SYSTEM电池管理系统)行业中，现在使用的MOS几乎都是硅MOS进行电流的切断与导通；由于硅MOS存在寄生二极管，所以必须同时存在充电MOS、放电MOS进行成对的使用，才能对BMS系统进行充电、放电电流的切断与导通。
双向氮化镓开关GaN MOS是可以不存在寄生二极管的，由此可使用一颗双向氮化镓开关GaN Mos来替代传统硅MOS的一组，充电MOS+放电MOS的功能。氮化镓宽禁带半导体具备击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优点；并且在最新的头部手机品牌中有使用到没有寄生二极管的GaN MOS做电源管理；由此，本申请人意识到，可以将该材料大量应用到BMS行业，与手机端的应用方式不同，BMS产品的电压更高、电流更大且安全要求更高，对MOS的开启、关闭速度、工作稳定性均有较高的需求，并且手机应用中，用于控制电源正端以及BMS领域中，最为主流的便是控制电源负端；然而，现有技术中并没有相关的将GaN MOS驱动方案结合于BMS行业中的技术应用。为此，本技术方案开发了一款全新的驱动电路，用于实现GaN MOS在BMS行业内进行有效应用。
实用新型内容
本实用新型提供了一种双向氮化镓驱动电路，实现GaN MOS与BMS芯片之间，保持逻辑的正常识别和建立，且该驱动电路带有基础的保护功能，在BMS芯片没有工作时，仍然能够锁定双向氮化镓开关GaN MOS，使之不能够流过任何方向的电流，避免安全隐患；本技术方案的BMS系统中的Pack-端口既能够容纳正高压即BAT电压，又能够容纳负高压，即使是在充电器反接时也不会损坏驱动电路，且驱动电路的反应速度为微秒级别，工作电流为微安级别，由此实现本行业内没有的双向氮化镓开关GaN MOS驱动方案以及相关的BMS保护逻辑的实现与对接，解决了BMS行业内，无寄生二极管的双向氮化镓开关GaN MOS应用难题，填补了背景技术中提高的空白，解决了背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
本实用新型的一种双向氮化镓驱动电路，用于对BMS芯片进行保护逻辑的正常识别与建立，包括第一MOS管、第二MOS管、PNP三极管、双向氮化镓开关；
由BMS芯片输入的BMS-CHG信号、BMS-DSG信号分别与第一MOS管的漏极、栅极相连，第一MOS管的源极与第二MOS管的栅极相连，且第二MOS管的漏极输出后与PNP三极管的基极相连；所述第一MOS管与第二MOS管连接位置之间接出第一电阻后连接电池电芯负极；所述第二MOS管的源极接出第二电阻后连接电池电芯负极；
所述PNP三极管的集电极端并联接出第三电阻、第四电阻，所述第三电阻经第一二极管与电池电芯负极相连，所述第四电阻经第二二极管与电池包负极相连；
所述双向氮化镓开关的栅极接出第五电阻后连接于第三电阻、第四电阻之间。
进一步地，所述第二MOS管的漏极与PNP三极管之间连接有第五电阻、第六电阻，位于第五电阻、第六电阻之间接出第三二极管，所述第三二极管接5V电压。
进一步地，所述第三电阻与第四电阻的两端分别并联有第一稳压管、第二稳压管。
进一步地，所述PNP三极管的集电极端与第一二极管的输出端之间并联有第一电容；所述第四电阻输入端与第二二极管的输出端之间并联有第二电容。
本实用新型相对于现有技术包括有以下有益效果：
(1)本技术方案的驱动电路实现双向氮化镓开关GaN MOS与BMS芯片之间，保持逻辑的正常识别和建立，且该驱动电路带有基础的保护功能，在BMS芯片没有工作时，仍然能够锁定GaN MOS，使之不能够流过任何方向的电流，避免安全隐患；
(2)本技术方案的驱动电路使BMS系统中的Pack-端口既能够容纳正高压即BAT电压，又能够容纳负高压，即使是在充电器反接时也不会损坏驱动电路，且驱动电路的反应速度为微秒级别，工作电流为微安级别，由此实现本行业内没有的双向氮化镓开关GaN MOS驱动方案以及相关的BMS保护逻辑的实现与对接，解决了BMS行业内，无寄生二极管的双向氮化镓开关GaN MOS应用难题；
(3)本技术方案使用一颗无寄生二极管的双向氮化镓开关GaN MOS，可以取代至少2颗传统硅MOS；同时由于不再有2颗MOS串联的情况，减少一倍的MOS产生的内阻，能够极大的减少BMS系统的发热，减少其体积、重量，提高其稳定性；
(4)双向氮化镓开关GaN MOS的应用可以减少50-60％的MOS数量，减少30-40％的BMS系统的成本，给产品带来更高的综合竞争力；
(5)由于氮化镓GaN是一种比硅更加优异的材料，在电源行业常规GaN MOS以及基本淘汰了传统硅MOS，耐压值能做到650V以上；因此在BMS行业内，将来双向氮化镓开关GaN也完全可以突破当前BMS行业功率MOS的耐压值最高约150V-200V的极限电压，做具有更大能量的BMS系统。
当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。
图1为本实用新型的一种双向氮化镓驱动电路的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
QN1-第一MOS管，QN2-第二MOS管，Qp1-PNP三极管，QNS1-双向氮化镓开关，R10-第一电阻，BAT--电池电芯负极，R12-第二电阻，R5-第三电阻，R11-第四电阻，R6-第五电阻，R9-第六电阻，DZ1-第一稳压管，DZ2-第二稳压管，C1-第一电容，C2-第二电容，D2-第一二极管，D3-第二二极管，D1-第三二极管，PACK--电池包负极。
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。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“源极”、“栅极”、“漏极”、“输出”、“两端”、“并联”等指示方位或位置关系，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组件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。
请参阅图1所示，本实用新型的一种双向氮化镓驱动电路，用于对BMS芯片进行保护逻辑的正常识别与建立，包括第一MOS管QN1、第二MOS管QN2、PNP三极管Qp1、双向氮化镓开关QNS1；本具体实施例中BMS芯片选择为SH367309型BMS芯片；
由BMS芯片输入的BMS-CHG信号、BMS-DSG信号分别与第一MOS管QN1的漏极、栅极相连，第一MOS管QN1的源极与第二MOS管QN2的栅极相连，且第二MOS管QN2的漏极输出后与PNP三极管Qp1的基极相连；第一MOS管QN1与第二MOS管QN2连接位置之间接出第一电阻R10后连接电池电芯负极BAT-；第二MOS管QN2的源极接出第二电阻R12后连接电池电芯负极BAT-；
PNP三极管Qp1的集电极端并联接出第三电阻R5、第四电阻R11，第三电阻R5经第一二极管D2与电池电芯负极BAT-相连，第四电阻R11经第二二极管D3与电池包负极PACK-相连；
双向氮化镓开关QNS1的栅极接出第五电阻R6后连接于第三电阻R5、第四电阻R11之间。
其中，第二MOS管QN2的漏极与PNP三极管Qp1之间连接有第五电阻R2、第六电阻R9，位于第五电阻R2、第六电阻R9之间接出第三二极管D1，第三二极管D1接5V电压。
其中，第三电阻R5与第四电阻R11的两端分别并联有第一稳压管DZ1、第二稳压管DZ2。
其中，PNP三极管Qp1的集电极端与第一二极管D2的输出端之间并联有第一电容C1；第四电阻R11输入端与第二二极管D3的输出端之间并联有第二电容C2；
如图1所示，本实用新型的氮化镓驱动电路的工作原理是：
(1)当由BMS芯片输入的BMS-CHG信号、BMS-DSG信号同时为高电平时，第一MOS管QN1打开，之后第二MOS管QN2打开，之后PNP三极管Qp1打开；双向氮化镓开关QNS1的栅极Gate将获得5V的电压，从而打开双向氮化镓开关QNS1(GaN MOS)；
(2)当由BMS芯片输入的BMS-CHG信号、BMS-DSG信号任意一个为低电平时，第一MOS管QN1关闭，第二MOS管QN2也关闭，PNP三极管Qp1也随之关闭；由于电池包负极Pack-是同口BMS电路的负载负极、充电器负极；当接入充电器后，电池包负极Pack-会有一定的负电压；但是，由于PNP三极管Qp1是PNP型三极管，无论双向氮化镓开关QNS1的栅极Gate的电压是0V还是负电压，都不会对电池电芯负极BAT-、5V等处造成影响，不会有漏电情况发生；因此，PNP三极管Qp1的最核心作用，就是防止漏电情况发生。
(3)当双向氮化镓开关QNS1(GaN MOS)不开启的情况下，若电池包负极Pack-接入负载，则电池包负极Pack-的电压将等于电池电芯正极极BAT+，可能达到60-80V；此高电压会被第二二极管D3阻断，而双向氮化镓开关QNS1的栅极Gate会通过第三电阻R5、第一二极管D2下拉到电池电芯负极BAT-；那么双向氮化镓开关QNS1产生的二极管的方向是从电池电芯负极BAT-指向电池包负极Pack-，达到禁止放电的状态，BMS保护状态成立。
(4)当双向氮化镓开关QNS1(GaN MOS)不开启的情况下，若电池包负极Pack-接入充电器，则电池包负极Pack-的电压将等于充电器输出电压减去电池电芯正极BAT+，可能达到-20～-30V；双向氮化镓开关QNS1的栅极Gate会通过第四电阻R11、第二二极管D3下拉到电池包负极Pack-，虽然电池电芯负极BAT-相对于Gate则是+20～+30V，但是会被第一二极管D2阻断，不会影响到Gate的电压。双向氮化镓开关QNS1产生的二极管的方向是从电池包负极Pack-指向电池电芯负极BAT-，达到禁止充电的状态，BMS保护状态成立。
本具体实施例中，器件参数如下表1所示：
| 元器件标号 | 参考规格 |
| D1,D2,D3 | BAV21、1N4148等二极管 |
| Rm2 | 采样电阻 |
| TVS1 | TVS管 |
| QN1,QN2 | N型MOS管 |
| QNs1 | 双向GaN、VGaN、BiGaN等 |
| Qp1 | PNP三极管 |
| R1,R3 | 1kΩ～100kΩ |
| R10,R12 | 100kΩ～1MΩ |
| R2 | 低于R12阻值的一半 |
| R9 | 100Ω～10kΩ |
| R5,R11 | 100kΩ～10MΩ |
| DZ1,DZ2 | ZMM5V6型或ZMM5V1型 |
| C1,C2 | 1～100nF |
表1：器件参数选择表
虽然说双向GaN没有寄生二极管，但也不一定在所有状态下都能进行彻底的双向关闭。更为严谨地来说，只有当G-D的电压为负时，双向GaN才彻底没有二极管效应；其中G是指QN2的栅极(G极)，D是指QN2的漏极(D极)。当G-D的电压为0V时，其实是工作为二极管特性的；当GaN MOS的Gate(栅极、即控制极)连接到D1(漏极1)或D2(漏极2)时，将会是两个不同的二极管特性方向。驱动电路应当自动根据BMS芯片输出的控制逻辑、结合BMS系统外部的充电器、负载状态，主动、且非常快速地调整GaN的工作模式，这点是驱动电路的核心目标；
(注：常规硅MOS的三个极分别是：Drain漏极、Gate栅极、Source源极。双向GaN MOS则没有S极，而是两个Drain漏极)；
(1)本驱动电路的开启逻辑：仅当来自于BMS芯片的BMS-CHG、BMS-DSG信号为高电平时，QN1才会开启。之后QN1的源极(S极)会输出高电平，也是连通到QN2的栅极(G极)(QN1在电路中的作用，就是对此两个信号进行“与”的逻辑处理，R1、R3是为了对信号进行限制，避免外部干扰传递到BMS芯片处，影响其正常工作。R10是为了限制QN1开启后的耗电，用于节省功耗到uA级别)。QN2的栅极为高电平后，QN2即打开，QN2的漏极(D极)的电压就是R2与R12的分压，R2的两端就会有电压差，就会连带着Qp1的发射极(E极)、基极(B极)有电压差，达到Qp1导通的条件。(QN2的作用就是为了将来自于QN1的信号转为开启Qp1的信号，R2、R12产生的分压大小是开启Qp1的关键)当Qp1导通后，5V的电位就会通过D1->R9->Qp1->Gate->R6->(双向GaN的栅极),此过程基本没有电压降低，因此达到双向GaN的开启电压阈值，双向GaN即可正常打开。(R9的作用是对5V的电信号进行轻微的限流，避免瞬间电流太大，产生安全隐患)双向GaN打开后，其自身电阻将至mΩ级别。BAT-和Pack-之间只有Rm2和双向GaN，总导通电阻为mΩ级别，因此可以正常流过上百A的电流，BMS系统、电池包便可以正常使用，自由充电、放电。
(2)本驱动电路的关闭逻辑：当来自于BMS芯片的BMS-CHG、BMS-DSG信号中，有任意一个或两个从高电平转为低电平时，QN1会关闭，其源极(S极)会输出低电平，因此影响QN2也跟着关闭。QN2关闭后，其漏极(D极)会允许任何电流流向源极(S极)，相当于QN2断。则R2两端的电压完全相等，压差为0，因此连带影响到Qp1的发射极(E极)、基极(B极)没有任何电压差，Qp1也会关闭。5V的电信号无法流向Gate，等同于断路。Gate处将通过R5->D2->BAT-，或通过R11->D3->Pack-，无法达到双向GaN的开启电压。因此双向GaN会关闭，其电阻将达到十几～几十兆欧，BAT-、Pack-之间将不能有电流流动，BMS系统、电池包便处于保护模式，任何的充电、放电都是无法进行的。
(3)本驱动电路对Gate的锁定、切换逻辑一(Pack-接入用电负载负极时)：当双向GaN工作在关闭状态，即Gate端无电压时，此时Pack-若接入用电负载，由于用电负载的正极是BAT+，则BAT+的电压就会经过负载，加在Pack-处，故而在此时Pack-的电压也等于BAT+，将会有几十V的高电压。但是由于二极管具有单向导通性，D3工作在二极管反向模式，视为断路。则Gate将只通过R5->D2->BAT-，双向GaN器件将工作在二极管模式，二极管的特性方向为Pack-侧为负极，BAT-侧为正极。由于此时Pack-的电压高于BAT-，所以双向GaN的二极管特性也是工作在反向模式，视为断路，不会有电流流动。BMS系统、电池包依然处于保护模式，任何的放电都是无法进行的。
(4)本驱动电路对Gate的锁定、切换逻辑二(Pack-接入充电器负极时)：当双向GaN工作在关闭状态，即Gate端无电压时，此时Pack-若接入充电器，由于用电负载的正极是BAT+，但充电器本身也是个电源。加在Pack-处的电压，就等于BAT+电压减去充电器的输出电压。充电器的电压在设计上一定是略高于电池电压的，因为一定是高电压的输出给低电压的用电设备充电。因此，故而在此时Pack-的电压，相对于BAT-(0V)来说，将会0至-30V左右。BAT-的电压高于Pack-，观察BAT-->D 2->R5->R11->D3->Pack-的路径，则此时D3工作在二极管正向时，D2工作在二极管反向时。D3导通，D2则为断路。因此Gate是通过R11、D3连接到Pack-。双向GaN器件将工作在二极管模式，二极管的特性方向为Pack-侧为正极，BAT-侧为负极。由于此时BAT-的电压高于Pack-，所以双向GaN的二极管特性也是工作在反向模式，视为断路，不会有电流流动。BMS系统、电池包依然处于保护模式，任何的充电都是无法进行的。
(5)只要Qp1不开启的情况下，便是自发完成转换的。且当BMS电池组彻底没电后，仍然能够起到保护作用，是安全的、可靠的。当Qp1开启后，Gate->R5->D 2->BAT-、Gate->R11->D3->Pack-的电路仍然是工作的，这部分组件永不停息，故而才能确保无论电池有电没电都能完成保护功能。但是由于R5、R11的电阻远大于R9的电阻阻值，根据分压关系，Gate仍然会是高电压，双向GaN会打开，这就是R5、R11存在的功能，确保Qp1对Gate电压的影响优先级大于D2、D3两条路径。
据了解，目前在BMS行业内暂无此驱动电路。此应用是新颖的、独创的，具有开拓性意义。如果能够让双向GaN在BMS产品中得到应用的话，一颗无寄生二极管的GaN MOS，可以取代至少2颗传统硅MOS。同时由于不再有2颗MOS串联的情况，减少一倍的MOS产生的内阻，能够极大的减少BMS系统的发热。减少其体积、重量，提高其稳定性
预计综合下来，双向GaN MOS的应用可以减少50-60％的MOS数量，减少30-40％的BMS系统的成本，给产品带来更高的综合竞争力。同时，由于GaN是一种比硅更加优异的材料，在电源行业常规GaN MOS以及基本淘汰了传统硅MOS，耐压值能做到650V以上。因此在BMS行业内，将来双向GaN也完全可以突破当前BMS行业功率MOS的耐压值最高约150V-200V的极限电压，做具有更大能量的BMS系统。所以，这款新的驱动电路的发明，具有非常高的市场前景和社会价值。
以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种双向氮化镓驱动电路，用于对BMS芯片进行保护逻辑的正常识别与建立，其特征在于：包括第一MOS管(QN1)、第二MOS管(QN2)、PNP三极管(Qp1)、双向氮化镓开关(QNS1)；
由BMS芯片输入的BMS-CHG信号、BMS-DSG信号分别与第一MOS管(QN1)的漏极、栅极相连，第一MOS管(QN1)的源极与第二MOS管(QN2)的栅极相连，且第二MOS管(QN2)的漏极输出后与PNP三极管(Qp1)的基极相连；所述第一MOS管(QN1)与第二MOS管(QN2)连接位置之间接出第一电阻(R10)后连接电池电芯负极(BAT-)；所述第二MOS管(QN2)的源极接出第二电阻(R12)后连接电池电芯负极(BAT-)；
所述PNP三极管(Qp1)的集电极端并联接出第三电阻(R5)、第四电阻(R11)，所述第三电阻(R5)经第一二极管(D2)与电池电芯负极(BAT-)相连，所述第四电阻(R11)经第二二极管(D3)与电池包负极(PACK-)相连；
所述双向氮化镓开关(QNS1)的栅极接出第五电阻(R6)后连接于第三电阻(R5)、第四电阻(R11)之间。
2.根据权利要求1所述的一种双向氮化镓驱动电路，其特征在于，所述第二MOS管(QN2)的漏极与PNP三极管(Qp1)之间连接有第五电阻(R2)、第六电阻(R9)，位于第五电阻(R2)、第六电阻(R9)之间接出第三二极管(D1)，所述第三二极管(D1)接5V电压。
3.根据权利要求1所述的一种双向氮化镓驱动电路，其特征在于，所述第三电阻(R5)与第四电阻(R11)的两端分别并联有第一稳压管(DZ1)、第二稳压管(DZ2)。
4.根据权利要求1所述的一种双向氮化镓驱动电路，其特征在于，所述PNP三极管(Qp1)的集电极端与第一二极管(D2)的输出端之间并联有第一电容(C1)；所述第四电阻(R11)输入端与第二二极管(D3)的输出端之间并联有第二电容(C2)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |