TWI418113B - 固態預充電模組 - Google Patents

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Description

固態預充電模組
本發明一般係關於電氣繼電器，尤其係關於電負載的預充電組件。
繼電器為根據供應的電流來開啟與關閉的電開關。根據特定操作參數，不同的繼電器可用於不同種類的應用情況。繼電器通常為電磁型或固態型。在高電壓應用當中，繼電器必須設計成可處理高電壓效應。例如在油電混合車(HEVs)當中，提供像是超過2000微法拉第(μF)的超大型整合式電容器來供電給一或多個負載。這種應用中的電容器必須預充電，避免當電源開啟時有害的湧入電流流至繼電器接點。基本上，當電源供應至未充電的電容器，過量的電流會湧向電容器。若未提供預充電電路，則大量湧入電流會導致電容器過熱並且縮短使用壽命。大量湧入電流也會使將電源切換至電容器的繼電器接點受損。進一步，若沒有預充電電路，則主斷路繼電器需要非常巨大，並且沒有預充電電路時系統保險絲也更容易並經常熔斷。
目前來說，在這些高電壓應用當中，預充電模組通常是可切換像是300V至600V這類大電壓的電機繼電器。預充電模組用來與跨越接觸器主接點的電阻器串聯，以將電容器預充電。不過，這些高電壓電機預充電模組非常昂貴並且體積通常不小。如此，系統總成本增加並且包含此繼電器的模組尺寸也更大，如此會限制到其他組件的空間。
該解決方案由包含繼電器、連接至該繼電器的電晶體及連接至該電晶體的固態裝置的本發明預充電模組所提供。該固態裝置控制電晶體的切換。
第一圖為顯示具有依照範例具體實施例形成的預充電模組20之預充電電路來控制供電給負載之概要圖。預充電模組20可為固態型，並且配置成與預充電電阻器22(例如10歐姆(10Ω)預充電電阻器)串聯的固態模組，並且一起連接跨越接觸器26的接點24。在說明的具體實施例中，接觸器26為用於將電源供應給負載(例如油電混合車(HEV)內的負載)或停止供應的主繼電器或主接觸器。由接觸器26所開啟或關閉的電源可來自不同電源，例如來自燃料電池、電瓶、發電機等等。吾人應該注意，雖然可與特定應用或特定使用一起說明預充電模組20，許多具體實施例並不如此限制，並且預充電模組20可用於需要或想要預充電的任何應用。
在操作上，預充電模組20將一或多個電容器36預充電。電容器36可為大型，像是1000微法拉第(μF)或2000μF、具有預充電模組20隔離來自全電源電壓接地(例如300伏特接地或600伏特接地)的預充電電壓接地(例如12伏特接地)。當預充電模組20接地時預充電模組20會開啟將電容器36預充電，並且當電容器36達到預定預充電電位時關閉(讓接觸器26開啟)，例如高於電容器36總充電容量的百分之八十以上、高於電容器36總充電容量的百分之九十以上、高於電容器36總充電容量的百分之九十五以上、高於電容器36總充電容量的百分之九十六以上、高於電容器36總充電容量的 百分之九十九以上(這可當成完全充電)等等。不過，預充電繼電器20可配置成允許電容器36達到比上述電位高或低的任何預定預充電電位。
第二圖顯示根據繼電器預充電比例來說明範例湧入電流的曲線圖40。曲線圖40將水平軸定義為充電時間，並且垂直軸為湧入電流的安培數(湧入電流)。曲線42代表所說明的電容器36之百分之八十(80%)最低預充電上的湧入電流，並且曲線44代表百分之九十(90%)標稱預充電上的湧入電流。吾人應該注意，曲線42的最高湧入電流大約650安培，而曲線44的最高湧入電流大約350安培。如所瞭解，湧入電流與充電時間取決於不同因素，例如電源、電容器36的種類與電容量等等。如此，預充電模組20可根據電容器36的充電特性進行不同配置，來將電容器36預充電。
第三圖為依照所示的範例具體實施例所形成的預充電模組20之概要圖。預充電模組20配置成包含固態裝置的固態預充電模組，更特別的是固態驅動器組件52及繼電器54，在所說明的具體實施例中為整合絕緣電機繼電器。例如在範例具體實施例中，驅動器組件52為自我振盪半橋接驅動器，像是加州El Segundo的International Rectifier生產之IR2153S驅動器。具體實施例中的繼電器54為標準12伏特(12V)繼電器，例如12V車用電機繼電器。不過，根據應用情況，可使用具有不同額定電壓的不同種類繼電器。
繼電器54的繼電器線圈55一端透過二極體56連接至低電壓電源供應器58，例如12伏特(12V)電源供應器(例如12V汽車電瓶)，並且繼電器54的繼電器線圈 55另一端連接至切換器61，該切換器切換至接地60並且當未切換至接地60時斷路來提供絕緣(例如無電流)。例如若電源逆向連接至繼電器54(例如逆極性)，則二極體56可阻擋逆向電流。二極體62也連接跨接繼電器54的線圈55。在操作二極體62將瞬間變化降至最低時，其可將電源再循環。
繼電器54操作來從高電壓電源供應器63，例如300伏特電源供應器(例如300V油電混合車電池組)，切換至電晶體64。尤其是，低電壓電源供應器58連接至繼電器線圈55，並且高電壓電源供應器63連接至常開接點57(第四圖所示的接腳5)，該接點在通電時會閉合。當常開接點57閉合時，則連接至接地，並且電源透過可移動接點59(例如第四圖所示可移動接點59的接腳4)供應至電晶體64(Q1)，這在說明的具體實施例中為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，及供應至驅動器組件52。在操作上，來自高電壓電源供應器63的高電壓提供給電晶體64，並且將受限於或箝制於齊納二極體73(D3)的減電壓(例如15伏特-18伏特)提供給驅動器組件52。吾人應該注意，通過電阻76(R3)後會降低過電壓(例如285伏特)。
驅動器組件52透過電阻器80(R1)連接至MOSFET的閘極72，並且在說明的具體實施例中為具有下列接腳配置的八接腳IR2153S晶片：VCC 邏輯與內部閘驅動供應電壓
RT 振盪器時脈電阻器輸入
CT 振盪器時脈電容器輸入
COM 共用端(參照VCC電壓)
LO 低側閘驅動器輸出
VS 高電壓浮動供應返回
HO 高側閘驅動器輸出
VB 高側閘驅動器浮動供應
在此具體實施例中，並未連接驅動器組件52的LO接腳，並且驅動器組件52的COM接腳連接至電晶體64的源極70且負載68亦連接至源極70。驅動器組件52的VS接腳連接至驅動器組件52的COM接腳。電容器75提供15伏特的VCC電源，並且參照至驅動器組件52的VS接腳。進一步，通過電阻器76(其亦連接至二極體74(D4))會降低高電壓，因為齊納二極體73將電壓箝制在例如15伏特，如同參照至驅動器組件52的COM接腳，其將電容器75充電，並透過二極體78(D5)供應至驅動器組件52的VB接腳。當電晶體64源極70上的電壓(COM接腳上的電壓)接近電晶體64汲極66上的電壓，則驅動器組件52會關閉。吾人應該瞭解，若使用不同的驅動器組件52，則如此處所說明要進行不同的連接來提供預充電模組20的操作。
如此在操作中，電流用第三圖的箭頭來顯示，搭配使用驅動器組件52控制電晶體64電源的開啟與關閉，如此在說明的具體實施例中，當電晶體64的源極70接近MOSFET汲極66上的電壓時，MOSFET會關閉。因此，當電容器36預充電至預定電位時，可接近下述的完全充電(例如完整電容量的99%)，預充電模組20會關閉。
驅動器組件52基本上提供浮動接地，如此低電壓電源供應器58與高電壓電源供應器63之間並無連接。驅動器組件52包含半橋接閘驅動器，其具有以百分之五十(50%)工作週期振盪的前端振盪器。工作週期的頻率(例如一千赫茲(kHz))由電容器82與電阻器84的值所決定。
針對範例並使用第四圖說明的具體實施例，一旦繼電器54已通電，例如由低電壓電源供應器58供電，來自高電壓電源供應器63的電壓(例如300V)透過繼電器接點提供，例如透過可移動接點59從常開接點57提供給電晶體64。低電壓(例如15V-18V)受到二極體73的鉗制/限制，並且提供給驅動器組件52的Vcc接腳，而參照至共用接點，例如驅動器組件52的COM接腳。在延遲預定的時間週期之後，這由電容器82(C1)和電阻器84(R2)所決定，電晶體64將由驅動器組件52開啟，並且透過預充電電阻器22(顯示在第一圖中)供應300V來開始MOSFET所提供的預充電。
電容器36的延遲與充電時間可程式編輯並且可進行配置，例如根據應用情況、電容器等等。電容器82和電阻器84的值可根據預充電電阻器22和電容器36的時間常數來選擇，例如若欲充電電阻器22和電容器36值分別為10Ohm及2000微法拉第，則充電時間常數為10*2000=20msec。在此範例中需要三倍時間常數60msec來將2000微法拉第電容器充電至95%充電電壓，這在選擇接觸器26(顯示在第一圖中)之前於第三圖所說明的應用當中為300V。因此，預充電模組20(可配 置成固態預充電模組)的延遲與充電時間必須超過60msec來進行所要或所需的預充電。
當電容器36已經完全預充電，則驅動器組件52將停止驅動電晶體64(例如MOSFET)的閘極72，如此即使繼電器54仍舊通電中，還是會停止對電容器36充電。然後繼電器54斷電並且無電流流動。在電流流動時繼電器54並不會通電或斷電。如此，就可運用一般12V車用電機繼電器。在電容器36預充電之前接觸器26絕不會接通。預充電模組20到達上述所需或所要的預充電時(例如電容器36預充電的百分之99)就會自動關閉。
第四圖為依照其他範例具體實施例形成的預充電模組90之概要圖。預充電模組90類似於預充電模組20，其中相同的編號代表相同的組件。不過，預充電模組90也包含連接於電晶體64閘極72和源極70之間的電阻器92。電阻器92與電阻器80組合在一起，確定電阻器64根據驅動器組件52的振盪確實開啟與關閉。
另外，預充電模組90包含連接在驅動器組件52的LO接腳與MOSFET的閘極72間之光耦合器94。在說明的具體實施例中，光耦合器94為光耦合器或光繼電器，像是紐約州紐約市Toshiba America Inc.(Toshiba Corporation)所生產的TLP222G光耦合器/光繼電器。光耦合器94提供保護來關閉電晶體64，例如若發生繼電器線圈電壓突然中斷(例如預充電模組20或90快速開啟然後關閉)。例如若發生繼電器線圈55上電壓突然中斷，光耦合器94會關閉MOSFET停止電流流動，以防繼電器54的接點再度斷開。電晶體64會在繼電器54 關閉時承載電流。在操作上，光耦合器94在切換器61切換至接地60並且在繼電器54關閉時關閉，如此若有需要光耦合器94可再度斷開。基本上，光耦合器94提供安全預防措施，並且保護繼電器接點，確定在接點斷開時並無電流流通。
吾人應該注意，繼電器54的組件部分也說明於第四圖內。尤其是，除了繼電器線圈55以外，同時也顯示繼電器切換器96。預充電模組90的操作與預充電模組20相同。預充電模組20與預充電模組90都包含低電壓繼電器(例如12V車用繼電器)，如此繼電器54與MOSFET串聯提供絕緣防止繼電器線圈，例如繼電器線圈55，停用時漏電(例如避免透過MOSFET漏電)。此組合使用例如自我振盪半橋接驅動器，像是無接地的驅動器組件52(例如IC晶片浮動)，提供高電壓電容器的預充電，以在12V電源供應器，例如低電壓電源供應器58，與600V或300V電源供應器，例如高電壓電源供應器63的接地之間提供絕緣。一旦電容器已經預充電，則會自動關閉預充電模組20或預充電模組90。如此，例如電容器36這類的電容器會預充電，然後像是接觸器26這類的主繼電器會接通或開啟容許電流流動。例如：預充電模組20或預充電模組90會在主繼電器接通之前啟用一段時間(例如200msec)，以便預充電一或多個大型電容器。
本發明已藉由較佳具體實施例做過說明，所以精通此技藝的人士就能了解到，在不悖離申請專利範圍的精神與領域內可對本發明進行修改。
20‧‧‧預充電模組
36‧‧‧電容器
52‧‧‧固態驅動器組件
54‧‧‧繼電器
57‧‧‧常開接點
61‧‧‧切換器
63‧‧‧高電壓電源供應器
64‧‧‧電晶體
72‧‧‧閘極
73‧‧‧齊納二極體
82‧‧‧電容器
84‧‧‧電阻器
94‧‧‧光耦合器
第一圖為依照本發明範例具體實施例形成的預充電電路來控制供電給負載之概要圖。
第二圖為根據繼電器預充電來說明範例湧入電流的曲線圖。
第三圖為依照範例具體實施例形成的預充電模組之概要圖。
第四圖為依照其他範例具體實施例形成的預充電模組之概要圖。
20‧‧‧預充電模組
52‧‧‧固態驅動器組件
54‧‧‧繼電器
55‧‧‧繼電器線圈
56‧‧‧二極體
57‧‧‧常開接點
58‧‧‧低電壓電源供應器
60‧‧‧接地
61‧‧‧切換器
62‧‧‧二極體
63‧‧‧高電壓電源供應器
64‧‧‧電晶體
66‧‧‧汲極
68‧‧‧負載
70‧‧‧源極
72‧‧‧閘極
73‧‧‧齊納二極體
74‧‧‧二極體
75‧‧‧電容器
76‧‧‧電阻器
78‧‧‧二極體
80‧‧‧電阻器
82‧‧‧電容器
84‧‧‧電阻器

Claims (13)

  1. 一種預充電模組(20)，包含：一繼電器(54)；一電晶體(64)，其連接至該繼電器(54)及一電源供應器；及一固態裝置(52)，其連接至該電晶體的一閘極，用以在該固態裝置被關閉時使一電容完成預充電，並用以提供一浮動接地，其中，該固態裝置控制該電晶體的切換，使當該電晶體的源極的電壓接近該電晶體的汲極的電壓時，該電晶體被關閉。
  2. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該電晶體(64)包含金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。
  3. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該固態裝置(52)包含驅動器組件，該組件以百分之五十的工作週期來驅動該電晶體(64)的閘極(72)。
  4. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該固態裝置(52)包含自我振盪半橋接驅動器。
  5. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該固態裝置(52)包含浮動接地積體電路晶片。
  6. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該繼電器(54)包含具有12伏特額定的電機繼電器。
  7. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，進一步包含光耦合器(94)，該光耦合器連接在該固態裝置(52)的LO輸出與該電晶體(64)的閘極(72)之間。
  8. 一種預充電模組，包含：一繼電器；一電晶體，其連接至該繼電器； 一固態裝置，其連接至該電晶體，該固態裝置控制該電晶體的切換；及一光耦合器(94)，該光耦合器連接至接地切換器(61)，該接地切換器連接至該繼電器(54)。
  9. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該繼電器(54)的常開接點(57)連接到至少300伏特的電源供應器(63)。
  10. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，進一步包含電阻器(84)及電容器(82)，並且其中該固態裝置(52)包含半橋接驅動器，而該電阻器(84)及該電容器(82)設定該電晶體(64)開啟前的時間週期。
  11. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該電晶體(64)連接至要預充電的電容器(36)，並且該電晶體(64)會在該電容器(36)充電至預定電容量時關閉。
  12. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，其中該電晶體(64)連接至高電壓電源供應器(63)。
  13. 如申請專利範圍第1項之預充電模組，進一步包含齊納二極體(73)，該齊納二極體連接至該固態裝置(52)，以降低電壓供應至該固態裝置。
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