TWI723223B - 用於電池管理系統的絕緣柵雙極電晶體（ｉｇｂｔ）的保護電路裝置 - Google Patents

用於電池管理系統的絕緣柵雙極電晶體（ｉｇｂｔ）的保護電路裝置 Download PDF

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Abstract

一種電池管理系統之一段保護電路，包括一第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)、一第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)、一處理器、一電壓調節器、一充電柵極驅動器、一放電柵極驅動器，其中該充電柵極驅動器及該放電柵極驅動器各別包括一絶緣柵極、一集極、一射極、一二極體。充電柵極驅動器接收到該處理器所產生的充電啟始信號時，產生一充電驅動信號至該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)以驅動該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池受到充電，而放電柵極驅動器接收到該處理器所產生的放電啟始信號時，產生一放電驅動信號至第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)以驅動該第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池供應電能；一處理器(MCU)之供電係由一充電、一放電之順向一二極體造成供電迴路，供給一處理器(MCU)無論是在一充電或是一放電只具備單方面電源時，一處理器(MCU)均能維持正常之過充、過放、短路、過溫等多項電池管理系統之保護機能正常運作。

Description

用於電池管理系統的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的保護電 路裝置
本創作係有關於一種電池管理系統之保護電路裝置，尤指一種包括兩個絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)作為電池充電及放電控制的一段保護電路裝置。
查各項可攜式電子裝置、移動式電器設備、移動式機械人、各類移動載具、儲能設備均需使用電池作為電能儲存及供應裝置。電池在進行充電及放電時，目前均以電池管理系統來進行控制及保護。
在大電力的電池管理系統中，由於具有較高的電壓值及較大的電流值與驅動電流小、導通電阻低且散熱特性佳，故在電路的設計及電路元件的選用時需特別注意。例如，以儲能設備為例，由於儲能設備需輸出大電力供應至電負載，若電路的設計及電路元件的選用不當，則即無法達到儲能及供電的目的，甚至發生安全的問題。
習知技術中，一般電池管理系統普遍使用一般大電流電晶體(MOSFET)電路作為電池的充電放電控制元件，在驅動電路的設計均較為複雜且安全性低。而大電力設備的電池管理系統普遍使用一般矽控閘流體(MOSFET)作為電池的充電放電控制元件，其元件散熱較不易處理、耐壓較絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)低、高電壓下的耐電流較絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)小、導通電阻大且成本高。
因此，本創作的目的即是提供一種採用絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)作為電池充電及放電控制的電池管理系統之一段保護電路裝置。本 創作的電池管理系統之一段保護電路裝置，其包括一第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)、一第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)、一處理器、一電壓調節器、一充電柵極驅動器、一放電柵極驅動器，其中該充電柵極驅動器及該放電柵極驅動器各別包括一絶緣柵極、一集極、一射極、一二極體。充電柵極驅動器接收到該處理器所產生的充電啟始信號時，產生一充電驅動信號至該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)以驅動該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池受到充電，而放電柵極驅動器接收到該處理器所產生的放電啟始信號時，產生一放電驅動信號至第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)以驅動該第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池供應電能。
本創作的實施例中，採用電壓調節器供應電路組件的工作電壓。而在本創作的另一實施例中，可採用隔離式直流至直流轉換器作為供應電路組件的工作電壓。在效果方面，本創作由於採用絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)及其相關的驅動電路作為電池的充電放電控制元件，故具備控制電路簡易、電路安全性高、維護成本低之優點。
100、100a、100b、100c‧‧‧一段保護電路裝置
B‧‧‧電池
B+‧‧‧電池正端
B-‧‧‧電池負端
P+‧‧‧正極電力端
P-‧‧‧負極電力端
GND‧‧‧共地節點
GND0‧‧‧接地端
GND1‧‧‧第一接地端
GND2‧‧‧第二接地端
COM‧‧‧共同節點
IGBT1‧‧‧第一絶緣柵雙極型電晶體
G1‧‧‧絶緣柵極
C1‧‧‧集極
E1‧‧‧射極
D1‧‧‧二極體
IGBT2‧‧‧第二絶緣柵雙極型電晶體
G2‧‧‧絶緣柵極
C2‧‧‧集極
E2‧‧‧射極
D2‧‧‧二極體
MCU‧‧‧處理器
GATE1‧‧‧充電柵極驅動器
GATE2‧‧‧放電柵極驅動器
LDO1‧‧‧電壓調節器
LDO2‧‧‧柵極驅動器電壓調節器
LDO3‧‧‧柵極驅動器電壓調節器
IPSM‧‧‧隔離式直流至直流轉換器
Vcc‧‧‧工作電壓
Vcc0‧‧‧工作電壓
Vcc1‧‧‧工作電壓
Vcc2‧‧‧工作電壓
Vo1‧‧‧充電啟始信號
Vo2‧‧‧放電啟始信號
S1‧‧‧充電驅動信號
S2‧‧‧放電驅動信號
圖1是本創作第一實施例電路圖裝置。
圖2是本創作第二實施例電路圖裝置。
圖3是本創作第三實施例電路圖裝置。
圖4是本創作第四實施例電路圖裝置。
請同時參閱圖1所示，其顯示本創作電池管理系統之一段保護電路裝置100的第一實施例電路圖裝置。如圖所示，一電池B的電池正端B+連接至一正極電力端P+，而該電池B的電池負端B-經一一段保護電路100連接至一負極電力端P-。
本實施例的一段保護電路裝置100包括一第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1、一第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2、一處理器MCU、一電壓調節器LDO1、一充電柵極驅動器GATE1、一放電柵極驅動器GATE2。第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1與第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2係採用商用絶緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor)。
第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1包括一絶緣柵極G1、一集極C1、一射極E1、一二極體D1，其中該集極C1係連接至該電池負端B-，而該射極E1係連接至一共地節點GND。該二極體D1的正端係連接於該射極E1，而其負端係連接至該集極C1。
第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2包括一絶緣柵極G2、一集極C2、一射極E2、一二極體D2，其中該集極C2係連接至該負極電力端P-，而該射極E2係連接至該共地節點GND。二極體D2的正端係連接於該射極E2，而其負端係連接至集極C2。
電壓調節器LDO1連接在該電池正端B+與該共地節點GND之間，用以供應一工作電壓Vcc至該處理器MCU、充電柵極驅動器GATE1與放電柵極驅動器GATE2。
處理器MCU可產生一充電啟始信號Vo1至充電柵極驅動器GATE1。當充電柵極驅動器GATE1接收到該處理器MCU所產生的該充電啟始信號Vo1時，產生一充電驅動信號S1至該第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的絶緣柵極G1，以驅動該第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1閉路。此時，電池B的電池負端B-經第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的集極C1、射極E1、第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2的二極體D2而與負極電力端P-形成通路，故使電池B受到正極電力端P+所供應的一充電電壓進行充電。
處理器MCU可產生一放電啟始信號Vo2至放電柵極驅動器GATE2。當放電柵極驅動器GATE2接收到該處理器MCU所產生的該放電啟始信號Vo2時，產生一放電驅動信號S2至該放電柵極驅動器GATE2的絶緣柵 極G2，以驅動該第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2閉路。此時，負極電力端P-經第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2的集極C2、射極E2、第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的二極體D1而與電池B的電池負端B-形成通路，故使電池B的電能得以供應至正極電力端P+。
圖2顯示本創作電池管理系統之一段保護電路裝置100a的第二實施例電路圖裝置。本實施例的組件與第一實施例大致相同，故相同元件乃標示相同的元件編號，以資對應。在本實施例與圖1的差異在於電壓調節器LDO1所供應的工作電壓Vcc係僅供應至處理器MCU。而充電柵極驅動器GATE1與放電柵極驅動器GATE2的工作電壓Vcc1則是由一個柵極驅動器電壓調節器LDO2所供應。
圖3顯示本創作電池管理系統之一段保護電路裝置100b的第三實施例電路圖裝置。本實施例的電壓調節器LDO1所供應的工作電壓Vcc係供應至處理器MCU，一柵極驅動器電壓調節器LDO2所供應的工作電壓Vcc1係供應至充電柵極驅動器GATE1，一柵極電壓調節器LDO3所供應的工作電壓Vcc2係供應至放電柵極驅動器GATE2。
圖4顯示本創作電池管理系統之一段保護電路裝置的第四實施例電路圖裝置。如圖所示，一電池B的電池正端B+經一一段保護電路100c連接至一正極電力端P+，而該電池B的電池負端B-則連接至負極電力端P-。本實施例的一段保護電路100c包括一第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1、一第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2、一處理器MCU、一隔離式直流至直流轉換器IPSM、一充電柵極驅動器GATE1、一放電柵極驅動器GATE2。
第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1包括一絶緣柵極G1、一集極C1、一射極E1、一二極體D1，其中該集極C1係連接至一共同節點COM，而該射極E1係連接至電池正端B+。二極體D1的正端係連接於射極E1，而其負端係連接至該集極C1。
第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2包括一絶緣柵極G2、一集極 C2、一射極E2、一二極體D2，其中該集極C2係連接至共同節點COM，而該射極E2係連接至負極電力端P-，該二極體D2的正端係連接於射極E2，而其負端係連接至集極C2。
隔離式直流至直流轉換器IPSM的高壓側係連接在該第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的集極C1與第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2的集極C2間的共同節點COM，而低壓側可產生一工作電壓Vcc0供應至處理器MCU、一工作電壓Vcc1供應至充電柵極驅動器GATE1、一工作電壓Vcc2供應至放電柵極驅動器GATE2。
隔離式直流至直流轉換器IPSM的低壓側的接地端GND0連接至處理器MCU的接地端；第一接地端GND1連接至充電柵極驅動器GATE1的接地端，並同時連接於第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的射極E1；第二接地端GND2連接至放電柵極驅動器GATE2的接地端，並同時連接於第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2的射極E2。
處理器MCU可產生一充電啟始信號Vo1至充電柵極驅動器GATE1。當充電柵極驅動器GATE1接收到該處理器MCU所產生的該充電啟始信號Vo1時，產生一充電驅動信號S1至該第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的絶緣柵極G1，以驅動該第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1閉路。此時，電池B的電池正端B+經第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的射極E1、集極C1、第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2的二極體D2而與正極電力端P+形成通路，故使電池B受到正極電力端P+所供應的一充電電壓進行充電。
處理器MCU可產生一放電啟始信號Vo2至放電柵極驅動器GATE2。當放電柵極驅動器GATE2接收到該處理器MCU所產生的該放電啟始信號Vo2時，產生一放電驅動信號S2至該放電柵極驅動器GATE2的絶緣柵極G2，以驅動該第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2閉路。此時，正極電力端P+經第二絶緣柵雙極型電晶體IGBT2的射極E2、集極C2、第一絶緣柵雙極型電晶體IGBT1的二極體D1而與電池B的電池正端B+形成通路，故使電池B的 電能得以供應至正極電力端P+。以上實施例僅為例示性說明本創作之設計，而非用於限制本創作。任何熟於此項技藝之人士均可在本創作之結構設計及精神下，對上述實施例進行修改及變化，唯這些改變仍屬本創作之精神及以下所界定之專利範圍中。因此本創作之權利保護範圍應如後述之申請專利範圍所列。
100‧‧‧一段保護電路
B‧‧‧電池
B+‧‧‧電池正端
B-‧‧‧電池負端
P+‧‧‧正極電力端
P-‧‧‧負極電力端
GND‧‧‧共地節點
IGBT1‧‧‧第一絶緣柵雙極型電晶體
G1‧‧‧絶緣柵極
C1‧‧‧集極
E1‧‧‧射極
D1‧‧‧二極體
IGBT2‧‧‧第二絶緣柵雙極型電晶體
G2‧‧‧絶緣柵極
C2‧‧‧集極
E2‧‧‧射極
D2‧‧‧二極體
MCU‧‧‧處理器
GATE1‧‧‧充電柵極驅動器
GATE2‧‧‧放電柵極驅動器
LDO1‧‧‧電壓調節器
Vcc‧‧‧工作電壓
Vo1‧‧‧充電啟始信號
Vo2‧‧‧放電啟始信號
S1‧‧‧充電驅動信號
S2‧‧‧放電驅動信號

Claims (4)

  1. 一種電池管理系統之一段保護電路裝置，包括：一第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)，包括一絶緣柵極、一集極、一射極、一二極體，其中該集極係連接至該電池負端，而該射極係連接至一共地節點，該二極體的正端係連接於該射極，而該二極體的負端係連接至該集極；一第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)，包括一絶緣柵極、一集極、一射極、一二極體，其中該集極係連接至一負極電力端，而該射極係連接至該共地節點，該二極體的正端係連接於該射極，而該二極體的負端係連接至該集極；一處理器，產生一充電啟始信號及一放電啟始信號；一充電柵極驅動器，連接於該處理器；一放電柵極驅動器，連接於該處理器；一電壓調節器，連接在該電池正端與該共地節點之間，用以供應一工作電壓至該處理器；其中，當該充電柵極驅動器接收到該處理器所產生的該充電啟始信號時，產生一充電驅動信號至該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)的該絶緣柵極，以驅動該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池受到充電；當該放電柵極驅動器接收到該處理器所產生的該放電啟始信號時，產生一放電驅動信號至該第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)的該絶緣柵極，以驅動該第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池供應電能至一正極電力端；其中，該些射極間接連接至該電池正端，以及該些集極分別連接至該電池負端和該負極電力端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一段保護電路，其中該電壓調節器所產生的該工作電壓亦供應至該充電柵極驅動器和該放電柵極驅動器作為該充電柵極驅動器和該放電柵極驅動器的工作電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一段保護電路裝置，更包括一柵極驅動器電壓調節器，連接在該電池正端與該共地節點之間，用以供應一工作電壓至該充電柵極驅動器和該放電柵極驅動器。
  4. 一種電池管理系統之一段保護電路裝置，包括：一第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)，包括一絶緣柵極、一集極、一射極、一二極體，其中該射極係連接至該電池正端，而該集極係連接至一共同節點，該二極體的正端係連接於該射極，而該二極體的負端係連接至該集極；一第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)，包括一絶緣柵極、一集極、一射極、一二極體，其中該射極係連接至一正極電力端，而該集極係連接至該共同節點，該二極體的正端係連接於該射極，而該二極體的負端係連接至該集極；一處理器，產生一充電啟始信號及一放電啟始信號；一充電柵極驅動器，連接於該處理器；一放電柵極驅動器，連接於該處理器；一隔離式直流至直流轉換器，連接在該共同節點與該電池負端之間，用以分別供應一工作電壓至該處理器、該充電柵極驅動器、該放電柵極驅動器，且該隔離式直流至直流轉換器的一接地端係連接於該處理器的一接地端；該隔離式直流至直流轉換器的一第一接地端係連接於該充電柵極驅動器的一接地端，並同時連接於該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)的該射極；該隔離式直流至直流轉換器的一第二接地端係連接於該放電柵極驅動器的一接地端，並同時連接於該第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)的該射極；其中，當該充 電柵極驅動器接收到該處理器所產生的該充電啟始信號時，產生一充電驅動信號至該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)的該絶緣柵極，以驅動該第一絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池受到充電；當該放電柵極驅動器接收到該處理器所產生的該放電啟始信號時，產生一放電驅動信號至該第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)的該絶緣柵極，以驅動該第二絶緣柵雙極型電晶體(IGBT)閉路，使該電池供應電能至該正極電力端；其中，該些射極分別連接至該電池正端和該正極電力端，而該些集極間接連接至該電池負端。
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