BRPI0709767A2

BRPI0709767A2 - màdulo de prÉ-carga de estado sàlido

Info

Publication number: BRPI0709767A2
Application number: BRPI0709767-0A
Authority: BR
Inventors: Lyle Stanley Bryan; John Steven Cowan
Original assignee: Tyco Eletronics Corp
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2011-07-26
Also published as: KR101178018B1; KR20110126154A

Abstract

MàDULO DE PRÉ-CARGA DE ESTADO SàLIDO Um módulo de pré-carga de estado sólido inclui um relé, um transistor conectado ao relé e um dispositivo de estado sólido conectado ao transistor. O dispositivo de estado sólido controla a comutação do transistor.

Description

"MODULO DE PRE-CARGA DE ESTADO SOLIDO"

Campo da Invenção

Esta invenção refere-se geralmente a relês elétricos, e mais particularmente, a umcomponente de pré-carga para uma carga elétrica.

Fundamentos da Invenção

Os relês são comutadores elétricos que abrem e fecham baseados em uma corren-te elétrica aplicada. Os diferentes relês podem ser usados para diferentes tipos de aplica-ções ou baseados em certos parâmetros operacionais. Os relês são tipicamente de um tipoeletromagnético ou de estado sólido. Em aplicações de alta voltagem, os relês podem serprojetados para manipular os efeitos da alta voltagem. Por exemplo, em veículos elétricoshíbridos (HEVs), capacitores integrados muito grandes, tal como mais de micro-Farads (pF),podem ser fornecidos para alimentar uma ou mais cargas. Os capacitores neste tipo de apli-cação devem ser pré-carregados para evitar que uma corrente de partida prejudicial sejaaplicada aos contatos de relê quando a energia está ligada. Essencialmente, quando a e-nergia é aplicada a um capacitor descarregado, uma quantidade excessiva de corrente correpara o capacitor. A grande corrente de partida pode causar um aquecimento excessivo ediminuir a vida do capacitor se um circuito de pré-carga não é fornecido. A grande correntede partida também pode danificar os contados do relê que comutam energia para o capaci-tor. Ademais, o principal relê de desconexão necessitaria ser muito grande se o circuito depré-carga não estivesse presente e o fusível do sistema também pode ser interceptado maisfacilmente e mais freqüentemente sem o circuito de pré-carga.

Usualmente, nestas aplicações de alta voltagem, o módulo de pré-carga é tipica-mente um relê eletromecânico capaz de comutar uma grande voltagem, tal como de 300V a600V. O módulo de pré-carga é usado em série com um resistor através dos principais con-tatos de um contator para pré-carregar os capacitores. Entretanto, estes módulos de pré-carga eletromagnéticos de alta voltagem são muito dispendiosos e geralmente maiores emtamanho. Assim, o problema é que o custo total do sistema é aumentado e o tamanho domódulo que inclui este relê também pode ser maior, desse modo limitando o espaço paraoutros componentes.

Sumário da Invenção

A solução é fornecida por um módulo de pré-carga da presente descrição que incluium relê, um transistor conectado ao relê e um dispositivo de estado sólido conectado aotransistor. O dispositivo de estado sólido controla a comutação do transistor.

Breve Descrição dos Desenhos

A invenção será agora descrita a título de exemplo com relação aos desenhos emanexo nos quais:

A Figura 1 é um diagrama esquemático de um circuito de pré-carga formado de a-cordo com uma modalidade exemplificada que controla a energia em uma carga .

A Figura 2 é um gráfico que ilustra uma corrente de partida exemplificada baseadaem uma pré-carga de relé.

A Figura 3 é um diagrama esquemático de um módulo de pré-carga formado de a -cordo com uma modalidade exemplificada.

A Figura 4 é um diagrama esquemático de um módulo de pré-carga formado de a -cordo com outra modalidade exemplificada.

Descrição Detalhada da Invenção

A Figura 1 é um diagrama esquemático que mostra um circuito de pré-carga quetem um módulo de pré-carga 20 formado de acordo com várias modalidades exemplificadasque controlam a energia em uma carga. O módulo de pré-carga 20 pode ser de um tipo deestado sólido e configurado como um módulo de estado sólido em série com um resistor depré-carga 22, por exemplo, um resistor de pré-carga de 10 ohms (10 Ω) e que estão juntosconectados através dos contatos 24 de um contator 26. Na modalidade ilustrada, o contator26 é um relé principal ou contator principal para comutar ligar e desligar a carga (por exem-plo, uma carga em um Veículo Elétrico Híbrido (HEV)). A energia que é ligada ou desligadapelo contator 26 que pode ser de diferentes tipos de fontes de alimentação, por exemplo, deuma célula de combustível, baterias, um gerador, etc. Dever-se-ia notar que embora o mó-dulo de pré-carga 20 possa ser descrito em conjunto com uma aplicação particular ou paraum uso particular, as várias modalidades não são assim limitadas e o módulo de pré-carga20 pode ser usado em qualquer aplicação onde o pré-carregamento é necessário ou dese-jado.

Em operação, o módulo de pré-carga 20 pré-carrega um ou mais capacitores 36.O(s) capacitor(es) 36 pode ser grande, tal como, 1000 micro-Farads (pF) ou 2000 pF, com omódulo de pré-carga 20 isolando um aterramento de pré-carga (por exemplo, 12 volts) deum aterramento de energia total (por exemplo, 300 volts ou 600 volts). O módulo de pré-carga 20 liga à pré-carga o(s) capacitor(es) 36 quando um aterramento é aplicado ao módu-lo de pré-carga 20 e desliga (permitindo que o contator 26 ligue) quando o(s) capacitor(es)36 alcançou um nível de pré-carga pré-determinado, por exemplo, acima de aproximada-mente oitenta por cento da capacidade de carga total do(s) capacitor(es) 36, acima de apro-ximadamente noventa por cento da capacidade de carga total do(s) capacitor(es) 36, acimade aproximadamente noventa e cinco por cento da capacidade de carga total do(s) capaci-tor(es) 36, acima de aproximadamente noventa e seis por cento da capacidade de cargatotal do(s) capacitor(es) 36, acima de aproximadamente noventa e nove por cento da capa-cidade de carga total do(s) capacitor(es) 36 (que pode ser considerada uma carga comple-ta), etc. Entretanto, o relé de pré-carga 20 pode ser configurado para permitir que o(s) capa-citor(es) alcance qualquer nível de pré-carga pré-determinado que é mais alto ou mais baixoque os níveis descritos.

Um gráfico 40 que ilustra uma corrente de partida exemplificada baseada em umaporcentagem de pré-carga do relê é mostrada na Figura 2. O gráfico 40 define um tempopara uma carga através de um eixo horizontal e em uma corrente de partida em ampéres(Corrente de Partida) através de um eixo vertical. Uma curva 42 que representa a correntede partida em uma pré-carga mínima de oitenta por cento (80%) e a curva 44 que represen-ta a corrente de partida em uma pré-carga nominal de noventa porcento (90%) para o(s)capacitor(es) 36 são ilustradas. Dever-se-ia notar que a corrente de partida máxima para acurva 42 é de aproximadamente 650 ampéres, enquanto a corrente de partida máxima paraa curva 44 é de aproximadamente 350 ampéres. Como dever-se-ia apreciar, a corrente departida e o tempo para carregar é dependente de diferentes fatores que incluem, por exem-plo, a energia da fonte, o tipo e capacidade do(s) capacitor(es) 36, etc. Assim, o módulo depré-carga 20 pode ser configurado diferentemente para pré-carregar o(s) capacitor(es) 36baseados nas características de carregamento para o(s) capacitor(es) 36.

A Figura 3 que é um diagrama esquemático do módulo de pré-carga 20 formado deacordo com as modalidades exemplificadas é mostrada. O módulo de pré-carga 20 é confi-gurado como um módulo de pré-carga de estado sólido que inclui um dispositivo de estadosólido, e mais particularmente, um componente de acionamento de estado sólido 52, e umrelê 54, que na modalidade ilustrada é um relê eletromagnético de isolamento integrado. Porexemplo, na modalidade exemplificada o componente de acionamento 52 é um acionadormeia-ponte auto-oscilante, tal como um acionador IR2153S disponível a partir do RetificadorInternacional de El Segundo, Califórnia. O relê 54 nesta modalidade é um relê padrão dedoze volts (12V), por exemplo, um relê eletromagnético de grau automotivo de 12V. Entre-tanto, dependendo da aplicação, um tipo diferente de relê tendo uma voltagem nominal dife-rente pode ser usado.

Uma extremidade de uma bobina do relê 55 do relê 54 é conectada através de umdiodo 56 a uma fonte de alimentação de baixa voltagem 58, por exemplo, um fonte de ali-mentação de 12 volts (12V) (por exemplo, bateria de carro de 12 volts) e a outra extremida-de da bobina de relê 55 do relê 54 é conectada ao comutador 61 que comuta para a terra 60e é aberto para fornecer isolamento quando não comutado para a terra 60 (por exemplo,sem fluxo de corrente). O diodo 56 opera para bloquear a corrente reversa, por exemplo, seuma fonte de alimentação é conectada ao relê 54 em reverso (por exemplo, polaridade o-posta). Um diodo 62 é também conectado através de bobinas 55 do relê 54. O diodo 62 ope-ra para recircular a energia durante a operação para minimizar os transientes.

O relê 54 é operável para comutar energia a partir de uma fonte de alimentação dealta voltagem 63, por exemplo, uma fonte de alimentação de 300 volts (por exemplo, conjun-to de baterias de veículo elétrico híbrido de 300V) a um transistor 64. Particularmente, a fon-te de alimentação de baixa voltagem 58 é conectada à bobina do relê 55 e a fonte de ali-mentação de alta voltagem 63 é conectada a um contato normalmente aberto 57 (pino 5mostrado na Figura 4), que fecha quando energizado. Quando o contato normalmente aber-to 57 fecha, uma conexão é feita com o terra, e energia é fornecida através de um contatomóvel 59 (por exemplo, o pino 4 do contato móvel 59 mostrado na Figura 4) ao transistor 64(Q1), que na modalidade ilustrada é um transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFET) e ao componente de acionamento 52. Em operação, a alta volta-gem da fonte de alimentação de alta voltagem 63 é fornecida ao transistor 64 e uma volta-gem reduzida (por exemplo, 15 volts - 18 volts) que é limitada ou fixada por um diodo Zener73 (D3) é fornecida ao componente de acionamento 52. Dever-se-ia notar que a voltagemexcessiva (por exemplo, 285 volts) é diminuída através de um resistor 76 (R3).

O componente de acionamento 52 é conectado a uma porta 72 do MOSFET atra-vés de um resistor 80 (R1) e na modalidade ilustrada é um chip IR2153S de oito pinos quetem a seguinte configuração de pinos:

VccFonte de alimentação acionada por porta lógica e interna

RTEntrada do resistor de tempo de oscilação

CTEntrada do capacitor de tempo de oscilação

COMComum (referência para voltagem Vcc)

LOSaida do acionador de porta da lateral baixa

VSRetorno de fonte flutuante de alta voltagem

HO Saída de acionador de porta de lateral alta

VBFonte flutuante de acionador de porta de lateral alta

Nesta modalidade, o pino LO de seu componente de acionamento 52 é desconec-tado e o pino COM do componente de acionamento 52 é conectado a uma fonte 70 do tran-sistor 64. O pino Vs do componente de acionamento 52 é conectado ao pino COM do com-ponente de acionamento 52. Um capacitor 75 fornece 15 volts para a fonte VCc e é referen-ciado ao pino Vs do componente de acionamento 52. Ademais, a alta voltagem é diminuídaatravés do resistor 76 porque o diodo Zener 73 fixa a voltagem em, por exemplo, 15 volts,como referência para o pino COM do componente de acionamento 52, que carrega o capa-citor 75 e é fornecido através de um diodo 78 (D5) ao pino Vb do componente de aciona-mento 52. Quando a voltagem na fonte 70 do transistor 64 (que é a voltagem no pino COM)se aproxima da voltagem em um dreno 66 do transistor 64, o componente de acionamento52 desliga. Dever-se-ia apreciar que se um componente de acionamento 52 diferente é usa-do, diferentes conexões são feitas para fornecer a operação do módulo de pré-carga 20 co-mo descrita aqui.

Assim, em operação, o fluxo de corrente é mostrado pela seta na Figura 3 com ocomponente de acionamento 52 controlando o acionamento e não acionamento do transistor64 tal que na modalidade ilustrada, o MOSFET é desligado quando a voltagem na fonte 70do transistor 64 se aproxima da voltagem no dreno 66 do MOSFET. Conseqüentemente, omódulo de pré-carga 20 desliga quando o capacitor 36 é pré-carregado a um nível pre-determinado, que pode ser uma carga quase completa (por exemplo, 99 por cento da capa-cidade total) como descrita abaixo.

O componente de acionamento 52 fornece essencialmente um terra flutuante talque não existe conexão entre a fonte de alimentação de baixa voltagem 58 e a fonte de ali-mentação de alta voltagem 63. O componente de acionamento 52 inclui um acionador meiaponte com um oscilador auxiliar que oscila em um ciclo de trabalho de cinqüenta por cento(50%). A freqüência do ciclo de trabalho (por exemplo, um quiloHertz (KHz)) é determinadapelos valores do capacitor 82 e do resistor 84.

Como um exemplo, e usando a modalidade ilustrada na Figura 4, uma vez que o re-lê 54 é energizado, por exemplo, pela fonte de alimentação de baixa voltagem 58, a volta-,gem da fonte de alimentação de alta voltagem 63 (por exemplo, 300V) é aplicada atravésdos contatos do relê, por exemplo, a partir do contato normalmente aberto 57 através docontato móvel 59, ao transistor 64. Uma voltagem menor (por exemplo, de 15V - 18V) é fi-xada/limitada pelo diodo 73 e é aplicada ao pino Vcc do componente de acionamento 52com relação ao comum, por exemplo, o pino COM do componente de acionamento 52. Apósum retardo de tempo pré-determinado, que é determinado por um capacitor 82 (C1) e umresistor 84 (R2), o transistor será ligado pelo componente de acionamento 52 a pela fonte de300V através de um resistor de pré-carga 22 (mostrado na Figura 1) para iniciar a pré-cargafornecida pelo MOSFET.

O tempo de retardo e de carregamento para o(s) capacitor(es) 36 são programáveise configuráveis, baseados, por exemplo, a aplicação, no(s) capacitor(es), etc. Os valores docapacitor 82 e do resistor 84 podem ser escolhidos dependendo de uma constante de tempodo resistor de pré-carga 22 e do(s) capacitor(es) 36. Por exemplo, se o resistor de pré-carga22 e o capacitor 36 possuem valores de 10 Ohms e 2000 microFarad, respectivamente, en-tão a constante de tempo de carregamento é de 10*2000 = 20 milisegundos. Três constan-tes de tempo, neste exemplo, 60 milisegundos, são solicitados para carregar o capacitor de2000 microFarad para 95% da voltagem de carregamento, que é 300V na aplicação ilustra-da na Figura 3 antes do fechamento do contator 26 (mostrado na Figura 1). Conseqüente-mente, o tempo de carga e de retardo do módulo de pré-carga 20, que pode ser configuradocomo um módulo de pré-carga de estado sólido, devem ser maiores que 60 milisegundospara permitir uma pré-carga exigida ou desejada.

Quando o capacitor 36 está completamente pré-carregado, o componente de acio-namento 52 interromperá a porta 72 do transistor 64 (por exemplo, MOSFET), assim inter-rompendo a carga do(s) capacitor(es) 36, mesmo com o relê 54 ainda energizado. O relê 54pode ser então desenergizado sem corrente fluindo. O relê 54 não seré energizado ou de-senergizado enquanto a corrente está fluindo. Assim, um relê eletromecânico automotivoregular de 12V pode ser utilizado. O contator 26 nunca fecha até que o(s) capacitor(es) 36seja(m) pré-carregado(s). O módulo de pré-carga 20 desliga automaticamente ao alcançar apré-carga desejada ou exigida (por exemplo, 99 por cento da pré-carga do(s) capacitor(es)36) como descrito aqui.

A Figura 4 é um diagrama esquemático de um módulo de pré-carga 90 formado deacordo com outra modalidade exemplificada. O módulo de pré-carga 90 é similar ao módulode pré-carga 20 onde números similares representam componentes similares. Entretanto, omódulo de pré-carga 90 também inclui um resistor 92 conectado entre a porta 72 e a fonte70 do transistor 64. O resistor 92 em combinação com o resistor 80 assegura que o resistor64 ligue e desligue precisamente baseado na oscilação do componente de acionamento 52.

Adicionalmente, o módulo de pré-carga 90 inclui um optoacoplador 94 conectadoentre o pino LO e o componente de acionamento 52 e a porta 72 do MOSFET. Na modali-dade ilustrada, o optoacoplador 94 é um fotoacoplador ou um foto-relé tal como um fotoaco-plador/foto-relé TLP222G disponível a partir da Toshiba America (Toshiba Corporation) emNova lorque, Nova Iorque. O optoacoplador 94 fornece proteção para desligar o transistor64, por exemplo, se uma interrupção repentina da voltagem na bobina do relê ocorre (porexemplo, o módulo de pré-carga 20 ou 90 liga e então volta a desligar rapidamente). Porexemplo, se uma interrupção repentina na voltagem na bobina do relê 55 ocorre, o optoaco-plador 94 desliga o MOSFET para interromper o fluxo de corrente no caso dos contatos dorelê 54 abrirem novamente. O transistor 64 transporta a corrente enquanto o relê 54 estáfechado. Em operação, o optoacoplador 94 fecha mediante o comutador 61 comutar para oterra 60 e fecha antes que o relê 54 feche tal que o optoacoplador 94 possa abrir novamentese necessário. Essencialmente, o optoacoplador 94 fornece uma precaução de segurança eprotege os contatos do relê para assegurar que nenhuma corrente flua quando os contatosestão abertos.

Dever-se-ia notar que as partes de componente do relê 54 são também ilustradasna Figura 4. Especificamente, em adição à bobina do relê 55, um comutador de relê 96 étambém mostrado. A operação do módulo de pré-carga 90 é a mesma do módulo de pré-carga 20. Ambos o módulo de pré-carga 20 e o módulo de pré-carga 90 incluem um relê debaixa voltagem (por exemplo, relê automotivo de 12V) tal como o relê 54 na série com oMOSFET que fornece o isolamento contra a corrente de fuga quando a bobina do relê, porexemplo, a bobina de relê 55, é desabilitada (por exemplo, impede a fuga através doMOSFET). Esta combinação fornece a pré-carga de um capacitor de alta voltagem usando,por exemplo, um acionador meia-ponte auto-oscilante, tal como, um componente de acio-namento 52 que opera sem um terra (por exemplo, as flutuações de chip de Cl) para forne-cer isolamento entre o terra de uma fonte de alimentação de 12V, por exemplo, a fonte dealimentação de baixa voltagem 58 e uma fonte de alimentação de 600V ou 300V, por exem-plo, a fonte de alimentação de alta voltagem 63. O módulo de pré-carga 20 ou o módulo depré-carga 90 desligará automaticamente uma vez que o capacitor foi pré-carregado. Assim,um capacitor, por exemplo, o capacitor 36 é pré-carregado e então o relê principal, tal como,o contator 26 fecha ou é ligado para permitir o fluxo de corrente. Por exemplo, o módulo depré-carga 20 ou o módulo de pré-carga 90 é ativado por um período de tempo (por exemplo,200 milisegundos) antes que o relê principal feche de modo a pré-carregar um ou mais ca-pacitores grandes.

Enquanto a invenção foi descrita em termos de várias modalidades específicas, a-queles versados na técnica reconhecerão que a invenção pode ser praticada com modifica-ção no escopo das reivindicações.

Claims

1. Módulo de pré-carga (20), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:um relê (54);um transistor conectado ao relê (64); eum dispositivo de estado sólido (52) conectado ao transistor, o dispositivo de estadosólido controla a comutação do transistor.

2. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o transistor (64) compreende um transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET).

3. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o dispositivo de estado sólido (52) compreende um componente de acionamentoque aciona uma porta (72) do transistor (64) em um ciclo de trabalho de cinqüenta por cento.

4. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o dispositivo de estado sólido (52) compreende um acionador meia-ponte auto-oscilante.

5. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o dispositivo de estado sólido (52) compreende um chip de circuito integradocom terra flutuante.

6. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o relê (54) compreende um relê eletromecânico que tem uma taxa de vinte volts.

7. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adi-cionalmente pelo fato de que compreende um optoacoplador (94) conectado entre uma saí-da LO do dispositivo de estado sólido (52) e uma porta (72) do transistor (64).

8. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adi-cionalmente pelo fato de que compreende um fotoacoplador (94) conectado a um comutadorde aterramento (61), o comutador de aterramento conectado ao relê (54).

9. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que um contato normalmente aberto (57) do relê (54) é conectado a uma fonte dealimentação (63) de no mínimo 300 volts.

10. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adi-cionalmente pelo fato de que compreende um resistor (84) e um capacitor (82) e onde o dis-positivo de estado sólido (52) compreende um acionador meia-ponte, com o resistor (84) e ocapacitor (82) configurando um período de tempo que o transistor (64) é ligado.

11. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o transistor (64) é conectado a um capacitor (36) a ser pré-carregado e o transis-tor (64) é desligado mediante o capacitor (36) ser carregado até uma capacidade pre-determinada.

12. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o transistor (64) é conectado a uma fonte de alimentação de alta voltagem (63).

13. Módulo de pré-carga, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adi-cionalmente pelo fato de que compreende um diodo Zener (73) conectado ao dispositivo deestado sólido (52) que reduz a voltagem até o dispositivo de estado sólido.