CN115207882A - 具有多个控制电路的固态熔断器 - Google Patents

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CN115207882A CN202210300134.XA CN202210300134A CN115207882A CN 115207882 A CN115207882 A CN 115207882A CN 202210300134 A CN202210300134 A CN 202210300134A CN 115207882 A CN115207882 A CN 115207882A
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Abstract

一种固态熔断器装置，包括开关和栅极驱动器。栅极驱动器连接到开关，并且配置为当过电流测量值超过预定过电流阈值，或开关两端的电压降超过预定饱和电压阈值中的至少一者时，将开关从闭合状态转变到断开状态。

Description

具有多个控制电路的固态熔断器
技术领域
本公开涉及一种熔断器，并且更具体地，涉及一种可复位固态熔断器。
背景技术
电动化车辆动力传动系可以包括具有分离的高压总线和低压总线的电气***。尽管“高压”和“低压”是相对术语，但是“低压”可以包括12到15伏的最大电压水平(即辅助电压)，术语“高压”描述远高于辅助电压水平的电压水平。例如，电动化车辆推进***可以具有范围在60伏和300伏之间的最大总线电压，某些新兴电池组具有范围在500伏和800伏之间的电压容量。
策略性定位的高电流熔断器和高压开关有助于确保在高压总线发生故障时进行电压隔离，并且在例行关停期间这些开关也会断开。熔断器是电路元件，其可以响应于阈值电池组电流而默认为开路状态。
发明内容
根据本公开的若干方面，一种固态熔断器装置包括开关和栅极驱动器，栅极驱动器连接到开关，并且配置为当过电流测量值超过预定过电流阈值，或开关两端的电压降超过预定饱和电压阈值中的至少一者时，将开关从闭合状态转变到断开状态。
在其他特征中，开关包括压控开关装置。
在其他特征中，压控开关装置包括硅绝缘栅双极型晶体管(insulated gatebipolar transistor，IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxidesemiconductor field effect transistor，MOSFET)、硅超结MOSFET、氮化镓(GaN)场效应晶体管(field-effect transistor，FET)、SiC结型场效应晶体管(junction-gate field-effect transistor，JFET)、宽带隙(wideband-gap，WBG)装置或超宽带隙装置(ultra-wideband-gap，UWBG)中的至少一者。
在其他特征中，固态熔断器装置包括连接在牵引电池和开关之间的电流传感器，其中电流传感器配置为输出指示由电流传感器测量的过电流的过电流信号。
在其他特征中，固态熔断器装置包括与电流传感器的输出端连接的锁存器，其中所述锁存器配置为输出指示由锁存器维持的状态的锁存器状态信号。
在其他特征中，锁存器配置为当过电流信号超过预定过电流阈值时，从第一状态转变到第二状态，并且输出指示第二状态的锁存器状态信号以禁用栅极驱动器。
在其他特征中，锁存器配置为在接收到复位信号之后，从第二状态转变到第一状态，并且输出指示第一状态的锁存器状态信号以启用栅极驱动器。
在其他特征中，所述电气***包括延迟电路，延迟电路配置为在可调延迟时间段之后，输出过电流信号。
在其他特征中，栅极驱动器配置为测量开关两端的电压降。
在其他特征中，开关连接在牵引电池和电力逆变器模块之间。
根据本公开的若干方面，固态熔断器装置包括开关和栅极驱动器，栅极驱动器连接到开关，并且配置为当过电流测量值超过预定过电流阈值，或开关两端的电压降超过预定饱和电压阈值中的至少一者时，将开关从闭合状态转变到断开状态。固态熔断器装置还包括连接在牵引电池和开关之间的电流传感器，其中电流传感器配置为向栅极驱动器输出指示由电流传感器测量的过电流的过电流信号。
在其他特征中，开关包括压控开关装置。
在其他特征中，压控开关装置包括硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、硅超结MOSFET、氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)、SiC结型场效应晶体管(JFET)、宽带隙(WBG)装置或超宽带隙装置(UWBG)中的至少一者。
在其他特征中，固态熔断器装置包括与电流传感器的输出端连接的锁存器，其中锁存器配置为输出指示由锁存器维持的状态的锁存器状态信号。
在其他特征中，锁存器配置为当过电流信号超过预定过电流阈值时，从第一状态转变到第二状态，并且输出指示第二状态的锁存器状态信号以禁用栅极驱动器。
在其他特征中，锁存器配置为在接收到复位信号之后，从第二状态转变到第一状态，并且输出指示第一状态的锁存器状态信号以启用栅极驱动器。
在其他特征中，栅极驱动器配置为测量开关两端的电压降。
在其他特征中，开关连接在牵引电池和电力逆变器模块之间。
根据本公开的若干方面，一种固态熔断器装置包括开关和栅极驱动器，栅极驱动器连接到开关，并且配置为当过电流测量值超过预定过电流阈值，或开关两端的电压降超过预定饱和电压阈值中的至少一者时，将开关从闭合状态转变到断开状态。固态熔断器装置还包括：连接在牵引电池和开关之间的电流传感器，其中电流传感器配置为向栅极驱动器输出指示由电流传感器测量的过电流的过电流信号；以及与电流传感器的输出端连接的锁存器，其中锁存器配置为输出指示由锁存器维持的状态的锁存器状态信号。
在其他特征中，锁存器配置为当过电流信号超过预定过电流阈值时，从第一状态转变到第二状态，并且输出指示第二状态的锁存器状态信号以禁用栅极驱动器。
从本文提供的描述中，其他应用领域将变得显而易见。应理解，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据示例实施方式的示例电池电动车辆的示意图；
图2是根据示例实施方式的电动车辆的电气***的电路示意图；以及
图3是图示根据示例实施方式的电气***的固态熔断器装置的图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或使用。
熔断器是一种电路元件，可以从闭合状态转变到断开状态(例如，开路)以在电流超过特定阈值时防止电流流动。可复位熔断器可以根据电气***中的电流在闭合状态和断开状态之间转变。例如，可复位熔断器可以转变到断开状态，以减轻电气***内的过电流故障。
公开了一种固态熔断器装置，其可以包括多个控制电路。例如，固态熔断器装置可以包括开关和栅极驱动器，栅极驱动器连接到开关，并且配置为当过电流测量值超过预定过电流阈值，或开关两端的电压降超过预定饱和电压阈值中的至少一者时，将开关从闭合状态转变到断开状态。如本文所讨论，可以经由电流传感器测量过电流，并且可以测量开关端子两端的电压降。因此，固态熔断器装置可以区分短路故障和过电流事件。
图1描绘了插电式混合动力汽车(plug-in hybrid-electric vehicle，PHEV)的示例的示意图。车辆12可以包括一个或多个电机14，该一个或多个电机14机械连接到混合动力变速器16。电机14能够作为马达和/或发电机操作。此外，混合动力变速器16可以机械地连接到发动机18。混合动力变速器16也可以机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14可以提供推进和减速能力。电机14也可以用作发电机，并且可以通过回收通常会在摩擦制动***中作为热量损失的能量，提供燃料经济效益。
牵引电池24(例如电池组)存储并且提供可由电机14或车辆12的其他部件使用的能量。牵引电池24通常从牵引电池24内的一个或多个电池单元阵列(有时称为电池单元堆叠)提供高压DC输出。高压DC输出也可以转换成低压DC输出，用于诸如车辆停止/启动的应用。电池单元阵列可以包括一个或多个电池单元。牵引电池24可以通过一个或多个接触器，电连接到一个或多个电力逆变器模块26。一个或多个接触器在断开时将牵引电池24与其他部件隔离，并且在闭合时将牵引电池24连接到其他部件。电力逆变器模块26还电连接到电机14，并且提供在牵引电池24和电机14之间双向传送电能的能力。例如，典型的牵引电池24可以提供DC电压，而电机14可能要求三相AC电压来运行。电力逆变器模块26可以根据电机14的要求，将DC电压转换成三相AC电压。在再生模式下，电力逆变器模块26可以将来自作为发电机的电机14的三相AC电压转换成牵引电池24所需的DC电压。本文的描述可以可适用于纯电动车辆或其他混合动力车辆。对于纯电动车辆，混合动力变速器16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且发动机18可以不存在。
除了为推进提供能量之外，牵引电池24可以为车辆其他电气***提供能量。典型的车辆电气***可以包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高压DC输出转换成与车辆其他负载兼容的低压DC电源。其他高压负载(诸如压缩机和电加热器)可以在不使用DC/DC转换器模块28的情况下，直接连接到高压。在典型的车辆中，低压***电连接到辅助电池30(例如12V电池)。
电池电气控制模块(battery electrical control module，BECM)33可以与牵引电池24通信。BECM 33可以用作牵引电池24的控制器，并且还可以包括电子监测***，该电子监测***管理电池单元的每一个的温度和荷电状态。牵引电池24可以具有温度传感器31，诸如热敏电阻或其他温度计。温度传感器31可以与BECM 33通信，以提供关于牵引电池24的温度数据。温度传感器31也可以位于牵引电池24内的电池单元上或附近。还可以设想，可以使用多于一个温度传感器31监测电池单元的温度。
例如，车辆12可以是电动车辆(诸如PHEV、FHEV、MHEV或BEV)，其中牵引电池24可由外部电源36再充电。外部电源36可以是到电源插座的连接。外部电源36可以电连接到电动车辆供电设备(electric vehicle supply equipment，EVSE)38。EVSE 38可以提供电路和控制，以调节和管理电源36和车辆12之间的电能传送。外部电源36可向EVSE 38提供DC或AC电力。EVSE 38可以具有充电连接器40，用于***车辆12的充电端口34。充电端口34可以是配置为将电力从EVSE 38传送到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可以调节从EVSE 38供应的电力，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可以与EVSE 38对接，以协调向车辆12的电力输送。EVSE连接器40可以具有引脚，引脚与充电端口34的对应凹部相匹配。
所讨论的各种部件可以具有一个或多个相关联的控制器，以控制和监测部件的操作。控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(Controller Area Network，CAN))或经由分立的导体进行通信。
电池单元(诸如棱柱形电池)可以包括将存储的化学能转换成电能的电化学电池。棱柱形电池可以包括壳体、正电极(阴极)和负电极(阳极)。电解质可以允许离子在放电期间在阳极和阴极之间移动，然后在再充电期间返回。端子可以允许电流流出电池以供车辆使用。当定位在具有多个电池单元的阵列中时，每个电池单元的端子可以与彼此相邻的相对端子(正极和负极)对准，并且总线可以协助便于多个电池单元之间串联连接。电池单元也可以并联布置，使得相似的端子(正极和正极或负极和负极)彼此相邻。例如，两个电池单元可以布置成正极端子彼此相邻，并且接下来的两个电池单元可以布置成负极端子彼此相邻。在此示例中，总线可以接触所有四个电池的端子。可以使用液体热管理***、空气热管理***或本领域已知的其他方法，加热和/或冷却牵引电池24。
图2图示了示例电气***100，其包括牵引电池24、电力逆变器模块26和电机14。在图2中，电机14示为牵引马达102。
电力逆变器模块26可以包括半导体开关S1至S6(本文中也称为“逆变器开关”)的组104，该半导体开关S1至S6在车辆操作期间(例如在马达操作模式期间)，将来自牵引电池24的直流(DC)电力配合转换成交流(AC)电力，用于经由高频开关为牵引马达102供电。每个半导体开关S1到S6可以实现为以下形式的压控开关装置：硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、硅(Si)超结MOSFET、氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)、SiC结型场效应晶体管(JFET)、其他宽带隙(WBG)或超宽带隙半导体电力开关装置(UWBG)，或具有对应栅极以施加栅极信号，从而改变开/关状态的其他合适开关。三相牵引马达102的每一相通常至少有一对半导体开关。每对开关，例如开关S1和S2(相A)，开关S3和S4(相B)，以及开关S5和S6(相C)，可以称为电力逆变器模块26的相腿(phaseleg)。例如，在示例实施方式中，电力逆变器模块26可以包括至少三(3)个相腿。电力逆变器模块26的每个相腿连接到牵引马达102的对应机器相端子。如图2所示，DC链路电容器C可以连接在正极连接器106和负极连接器108之间。
电气***100还包括固态熔断器装置110。如图所示，固态熔断器装置110可以连接在牵引电池24和电力逆变器模块26之间。附图标记L和R分别表示电感电路元件和电阻电路元件，该电感电路元件和电阻电路元件可以包括固态熔断器装置110和电力逆变器模块26之间的电连接。在示例实施方式中，电连接可以包括任何合适的电连接，诸如电连接器(例如电缆)。
固态熔断器装置110可以包括开关112，诸如压控开关装置。以上参考电力逆变器模块26描述了压控开关装置的示例。开关112包括第一端子114、第二端子116和栅极端子118。第一端子114和第二端子116可以布置成使得开关112沿着正极连接器106串联，以控制牵引电池24和电力逆变器模块26之间的电流流动。
固态熔断器装置110的操作可以通过测量两个不同的电流值来控制。如本文更详细描述的，固态熔断器装置110可以测量过电流，并且可以测量通过电气***100的短路故障电流。在操作期间，固态熔断器装置110可以允许电流流过电气***100。然而，在固态熔断器装置110检测到过电流或短路故障电流中的至少一者超过预定电流阈值的情况下，固态熔断器装置110可以防止电流流动，直到接收到复位信号为止。
固态熔断器装置110还可以包括电流传感器120。电流传感器120可以沿着正极连接器106连接，并且测量通过正极连接器106的电流量。固态熔断器装置110还包括栅极驱动器128。栅极驱动器128可以接收来自锁存器136的输出端130的输入，和与开关112并联的端子124、126的输入。如下文更详细描述的，锁存器136可以提供过电流信号，该过电流信号指示由电流传感器120测量的过电流信号。栅极驱动器128可以经由端子124、126测量开关112两端的电压降，开关112两端的电压降对应于短路故障电流，如下面更详细描述的。如图中示出的，第一端子124可以连接到开关112的第一端子114，并且第二端子126可以连接到第二端子116。
栅极驱动器128可以产生控制信号，该控制信号基于接收到的输入控制开关112的操作，如下面更详细讨论的。例如，栅极驱动器128可以包括MOSFET驱动器，该MOSFET驱动器将接收到的输入信号转换成控制开关112操作的对应电压信号。开关122可在断开状态(例如，关断状态)和闭合状态(接通状态)之间转变。在断开状态下，开关122阻止电流流动，而在闭合状态下，开关122允许电流流动。栅极驱动器128可以经由输出端134向开关122的栅极端子118提供控制信号。
电流传感器120可以包括能够直接测量电流，并且生成指示测量的过电流的信号的任何合适的传感器。电流传感器120可以配置为基于提供给锁存器136的预定电流阈值(诸如高于最大操作电流的预定值)生成过电流信号。
在示例实施方式中，锁存器136可以包括触发器，诸如置位复位触发器。锁存器136可以从电流传感器120的输出端140接收过电流信号作为输入。锁存器136还可以在输入端142接收复位信号，该复位信号使得由锁存器136存储的状态转变。例如，最初，锁存器136可以存储第一状态，在该第一状态中，指示所存储状态的锁存器状态信号经由输出端130提供给栅极驱动器128，以启用栅极驱动器128的操作。锁存器136可以配置为基于接收到的过电流信号，转变状态。例如，当过电流信号超过预定的过电流阈值时，锁存器136可以从第一状态转变到第二状态。如果锁存器136转变到第二状态，则锁存器状态信号转变并且可以禁用栅极驱动器128的操作，例如，使得开关112从闭合状态转变到断开状态。锁存器136可以提供指示第二状态的锁存器状态信号，直到接收到复位信号，使得锁存器136状态从第二状态转变到第一状态。锁存器状态信号也可以转变以启用栅极驱动器128的操作，从而使得开关112从断开状态转变到闭合状态。
参考图3，电气***100可以包括延迟电路202，该延迟电路202可在延迟时间段之后输出过电流信号。在示例实施方式中，延迟电路202在延迟时间段之后将过电流信号输出到锁存器136。在各种实施方式中，延迟时间段的范围可以从约五(5)微秒到约五百(500)毫秒。通过使用延迟电路202，允许选定的涌入电流分布。例如，允许的涌入电流可以与过电流事件和短路故障区分开来。在示例实施方式中，延迟电路202可以包括可控延迟电路202，使得延迟时间段是可调的，例如可以进行设置。尽管延迟电路202图示为包括在电流传感器120中，但是应理解，延迟电路202可以与电流传感器120分离和/或不同。例如，延迟电路202可以与电流传感器120串联。
如上所述，栅极驱动器128可以经由端子124、126测量开关112两端的电压降。测量的电压降可以对应于流过开关112的电流量。在示例实施方式中，栅极驱动器128可以包括去饱和故障检测电路204(例如，DESAT检测电路)，当电压降超过预定的饱和电压阈值(例如，DESAT电压)时，饱和故障检测电路204可以使开关112从闭合状态转变到断开状态。电气***100可能正承受过大的电流(诸如负载短路电流)，当电压降超过DESAT电压时，这可能导致电气***100的部件损坏。如图所示，栅极驱动器128可以经由输入端142接收复位信号，该复位信号可以使栅极驱动器128和/或去饱和故障检测电路204输出使开关112从断开状态转变到闭合状态的控制信号。
应理解，复位信号可由车辆12的多个部件提供。例如，在示例实施方式中，复位信号可由电池电气控制模块(BECM)33提供。然而，应理解，复位信号可由任何合适的车辆12模块提供，例如电子控制模块。
应理解，对应于电流传感器120的一个或多个阈值可以不同于对应于开关112两端的电压降的一个或多个阈值。例如，对应于电压降的一个或多个阈值涉及持续少于或等于两(2)微秒(μs)的电流水平，并且对应于电流传感器的一个或多个阈值涉及大于预定过电流阈值并且持续长于延迟时间段(例如，可调延迟时间段)的电流水平。
本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在包括在本公开的范围内。此类变化不应被视为背离了本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种固态熔断器装置，包括：
开关；以及
栅极驱动器，连接到所述开关，并且配置为当过电流测量值超过预定的过电流阈值，或所述开关两端的电压降超过预定的饱和电压阈值中的至少一者时，将所述开关从闭合状态转变到断开状态。
2.根据权利要求1所述的固态熔断器装置，其中所述开关包括压控开关装置。
3.根据权利要求2所述的固态熔断器装置，所述压控开关装置包括硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、硅超结MOSFET、氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)、SiC结型场效应晶体管(JFET)、宽带隙(WBG)装置或超宽带隙装置(UWBG)中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的固态熔断器装置，还包括连接在牵引电池和所述开关之间的电流传感器，其中所述电流传感器配置为输出指示由所述电流传感器测量的过电流的过电流信号。
5.根据权利要求4所述的固态熔断器装置，还包括与所述电流传感器的输出端连接的锁存器，其中所述锁存器配置为输出指示由所述锁存器维持的状态的锁存器状态信号。
6.根据权利要求5所述的固态熔断器装置，其中所述锁存器配置为当所述过电流信号超过预定过电流阈值时，从第一状态转变到第二状态，并且输出指示所述第二状态的锁存器状态信号以禁用所述栅极驱动器。
7.根据权利要求6所述的固态熔断器装置，其中所述锁存器配置为在接收到复位信号之后，从所述第二状态转变到所述第一状态，并且输出指示所述第一状态的锁存器状态信号以启用所述栅极驱动器。
8.根据权利要求4所述的固态熔断器装置，还包括延迟电路，所述延迟电路配置为在可调延迟时间段之后，输出过电流信号。
9.根据权利要求1所述的固态熔断器装置，其中所述栅极驱动器配置为测量所述开关两端的所述电压降。
10.根据权利要求1所述的固态熔断器装置，其中所述开关连接在牵引电池和电力逆变器模块之间。
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