智能高压继电器

技术领域

本公开涉及一种继电器组件中的智能高压固态继电器。

背景技术

如果固态开关模块被用于完全替换接触器，则期望该开关模块包括驱动器电路、保护电路、感测电路、通信电路、故障逻辑和电源。支持开关模块的外部组装功能是非常专用的，并且增加了成本、复杂性和空间。

发明内容

因此，期望整体地开发一种包括驱动器电路、保护电路、感测电路、通信电路和电源的继电器组件，以便通过成本有效地将这些功能集成在一起而使控制不同继电器功能的成本和复杂性以及占用体积最小化。在本公开的一方面中，继电器组件包括壳体和设置在壳体内部的电子固态开关以及电连接到电子固态开关的栅极驱动器电路。栅极驱动器电路被配置为以预定栅极电压和预定栅极电流驱动电子固态开关。继电器组件还包括电连接到栅极驱动器电路的保护电路。保护电路被配置成保护电子固态开关免受过电压、短路、过电流和过热。继电器组件还包括与电子固态开关集成的通信接口（例如，控制器局域网（CAN）总线接口）。保护电路、电子固态开关和通信接口（例如CAN总线接口）中的每一个都设置在壳体内。

继电器组件还可以包括电耦合到电子固态开关的多个传感器。传感器可以被配置为测量继电器组件中的电流、电压和温度。传感器可以包括电流传感器、电压传感器和温度传感器。继电器组件还可以包括集成在智能继电器组件内的用于开关诊断的故障逻辑和反馈。

栅极驱动器电路、保护电路、传感器和CAN中的每一个可以完全设置在壳体内。栅极驱动器电路可以设置在壳体外部，但是非常靠近开关端子，以具有栅极引线到开关模块上的直接压配合配置，从而确保电路中的最小电感。栅极驱动器电路可以包括多个引线。壳体可以具有多个孔。每个孔被定尺寸成以压配合配置接收相应的引线。

保护电路可以包括电连接到电子固态开关的缓冲器电路。缓冲器电路可以完全设置在壳体内部。缓冲器电路包括RC电路和与RC电路并联电连接的瞬态电压抑制器。替代地，缓冲器电路可以包括RC电路。RC电路可以包括电阻器和与电阻器串联电连接的电容器。

继电器组件可以包括插入器，该插入器可以是高温陶瓷或硅。栅极驱动器电路可以设置在插入器上，从而通过过孔或接触引脚与半导体器件的栅极焊盘（gate pad）连接。继电器组件中的封装件可以完全封装电子固态开关。插入器可以支撑栅极驱动器电路。

继电器组件可以包括直接结合的衬底。电子固态开关管芯可以直接设置在直接结合衬底上。可以将呈裸管芯形式的栅极驱动器芯片直接设置在直接结合的衬底上，靠近开关管芯，以使寄生电感最小化。继电器组件还可以包括完全设置在壳体内的电源。电源可以电连接到电子固态开关，并且将帮助固态开关继电器自供电。

本发明还包括以下技术方案：

技术方案1. 一种集成的智能继电器组件，包括：

壳体；

电子固态开关，其设置在所述壳体内部；

栅极驱动器电路，其电连接到所述电子固态开关，其中所述栅极驱动器电路被配置为以预定栅极电压和预定栅极电流驱动所述电子固态开关；

保护电路，其电连接到所述栅极驱动器电路，其中所述保护电路被配置成保护所述电子固态开关免受过电压、短路和热失控；

与所述电子固态开关集成的通信接口；以及

其中，所述保护电路、所述电子固态开关和所述通信接口中的每一个被设置在所述壳体内。

技术方案2. 根据技术方案1所述的继电器组件，还包括电耦合到所述电子固态开关的多个传感器，其中所述多个传感器被配置为测量所述继电器组件中的电流、电压和温度。

技术方案3. 根据技术方案2所述的继电器组件，其中所述多个传感器包括被配置为测量所述继电器组件中的电流的电流传感器、被配置为测量所述继电器组件中的电压的电压传感器、以及被配置为测量所述继电器组件中的温度的温度传感器。

技术方案4. 根据技术方案2所述的继电器组件，其中所述栅极驱动器电路、所述保护电路、所述多个传感器和所述通信接口中的每一个被完全设置在所述壳体内。

技术方案5. 根据技术方案1所述的继电器组件，其中所述栅极驱动器电路部分地设置在所述壳体外部，所述栅极驱动器电路包括多个引线，所述壳体具有多个孔，所述多个孔中的每个孔被定尺寸成以压配合配置接收所述多个引线中的相应一个引线。

技术方案6. 根据技术方案1所述的继电器组件，其中所述保护电路包括电连接到所述电子固态开关的缓冲器电路，所述缓冲器电路完全设置在所述壳体内，并且所述缓冲器电路包括RC电路和与所述RC电路并联电连接的瞬态电压抑制器。

技术方案7. 根据技术方案1所述的继电器组件，其中所述保护电路包括电连接到所述电子固态开关的缓冲器电路，所述缓冲器电路完全设置在所述壳体内，所述缓冲器电路包括RC电路，并且所述RC电路包括电阻器和与所述电阻器串联电连接的电容器。

技术方案8. 根据技术方案1所述的继电器组件，还包括支撑所述栅极驱动器电路的插入器。

技术方案9. 根据技术方案1所述的继电器组件，还包括直接结合的衬底，所述电子固态开关直接设置在所述直接结合的衬底上，并且所述栅极驱动器电路被配置为呈管芯形式的芯片并且直接设置在所述直接结合的衬底上。

技术方案10. 根据技术方案1所述的继电器组件，还包括完全设置在所述壳体内的本地电源，并且所述本地电源电连接到所述电子固态开关，使得所述继电器组件是自供电的。

技术方案11. 一种集成的智能继电器组件，包括：

壳体；

电子固态开关，其设置在所述壳体内部；

栅极驱动器电路，其电连接到所述电子固态开关，其中所述栅极驱动器电路被配置为以预定栅极电压和预定栅极电流驱动所述电子固态开关；

保护电路，其电连接到所述栅极驱动器电路，其中所述保护电路被配置成保护所述电子固态开关免受过电压、短路和过热；

与所述电子固态开关集成的通信接口；

多个传感器，其电耦合到所述电子固态开关，其中所述多个传感器包括被配置为测量所述继电器组件中的电流的电流传感器，所述多个传感器包括被配置为测量所述继电器组件中的电压的电压传感器，并且所述多个传感器包括被配置为测量所述继电器组件中的温度的温度传感器；以及

其中，所述保护电路、所述电子固态开关和所述通信接口中的每一个被设置在所述壳体内。

技术方案12. 根据技术方案11所述的继电器组件，其中所述栅极驱动器电路、所述保护电路、所述多个传感器和所述通信接口中的每一个被完全设置在所述壳体内。

技术方案13. 根据技术方案11所述的继电器组件，其中所述栅极驱动器电路部分地设置在所述壳体外部。

技术方案14. 根据技术方案13所述的继电器组件，其中所述栅极驱动器电路包括多个引线，所述壳体具有多个孔，并且所述多个孔中的每个孔被定尺寸成以压配合配置接收所述多个引线中的相应一个引线。

技术方案15. 根据技术方案11所述的继电器组件，其中所述保护电路包括被配置为电连接到所述电子固态开关的缓冲器电路，并且所述缓冲器电路完全设置在所述壳体内，并且所述缓冲器电路包括RC电路和与所述RC电路并联电连接的瞬态电压抑制器。

技术方案16. 根据技术方案11所述的继电器组件，其中所述保护电路包括电连接到所述固态开关的缓冲器电路，并且所述缓冲器电路完全设置在所述壳体内，所述缓冲器电路包括RC电路，并且所述RC电路包括电阻器和与所述电阻器串联电连接的电容器。

技术方案17. 根据技术方案11所述的继电器组件，还包括插入器和设置在所述插入器内部的封装件，所述栅极驱动器电路设置在所述插入器上。

技术方案18. 根据技术方案17所述的继电器组件，其中所述封装件完全封装所述电子固态开关，并且所述插入器支撑所述栅极驱动器电路。

技术方案19. 根据技术方案11所述的继电器组件，还包括直接结合的衬底，所述电子固态开关直接设置在所述直接结合的衬底上，并且所述栅极驱动器电路被配置为芯片并且直接设置在所述直接结合的衬底上。

技术方案20. 根据技术方案11所述的继电器组件，还包括完全设置在所述壳体内的电源，并且所述电源电连接到所述电子固态开关。

从在结合附图时的对如所附权利要求中限定的用于实现本教导的一些最佳模式和其他实施例的以下具体实施方式，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

图1是继电器组件的示意图，该继电器组件包括电子固态开关、栅极驱动器电路、保护电路、感测电路和故障逻辑，其中通信接口电连接到电子固态开关。

图2A是图1的继电器组件的示意性透视图。

图2B是图1的继电器组件的一部分的电气图。

图2C是图1的继电器组件的缓冲器电路的电气图，其中缓冲器电路包括瞬态电压抑制器（TVS）。

图2D是图1的缓冲继电器组件的电气图，其中缓冲器电路包括RC电路。

图3是图1的继电器的示意性分解图，其中保护电路设置在壳体内。

图4是图1的继电器组件的示意性透视图，其中栅极驱动器电路使用非常短的引线连接或无焊压配合连接安装在壳体外部。

图5是图4中所示的继电器组件的示意性局部剖视图。

图6是包括用于支撑开关管芯的插入器和附接在壳体内的栅极驱动器的继电器组件的示意性前视图。

图7是包括在直接结合衬底上的栅极驱动器芯片的继电器组件，所述直接结合衬底诸如直接结合铜（DBC）衬底或直接结合铝（DBA）衬底。

图8是包括功率器件的继电器组件的示意图。

具体实施方式

以下具体实施方式本质上仅是示例性的，而不旨在限制应用和使用。此外，并不意图受前面的背景技术、发明内容或以下具体实施方式中所呈现的明示或暗示的理论的约束。

本公开的实施例可以在本文按照功能和/或逻辑块部件和各种处理步骤来描述。应当理解的是，这样的块部件可以通过被配置为执行指定功能的多个硬件、软件和/或固件部件来实现。例如，本公开的实施例可以采用各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，其可以在一个或多个微处理器或其他控制器件的控制下执行各种功能。另外，本领域技术人员将理解的是，本公开的实施例可以结合多个系统来实践，并且本文所描述的系统仅仅是本公开的示例性实施例。

为了简洁起见，与信号处理、数据融合、信号发送、控制以及系统的其他功能方面（以及系统的各个操作部件）相关的技术在本文可以不进行详细描述。此外，在本文包含的各个图中所示的连接线旨在表示各个元件之间的示例功能关系和/或物理耦合。应当注意的是，在本公开的实施例中可以存在替代的或附加的功能关系或物理连接。

参照图1-图2D，智能继电器组件100包括电子固态开关102和栅极驱动器电路104。电子固态继电器100可以是半导体场效应晶体管（MOSFET）。MOSFET可以包括碳化硅或其它合适的半导体材料，诸如硅、氮化镓和氧化镓。栅极驱动器电路104是功率放大器，其接受较低功率输入PI （例如，5伏和/或12伏）并产生用于电子固态开关102的栅极的高电流驱动输入。因此，栅极驱动器电路104电连接到电子固态开关102。栅极驱动器电路被配置为以适当的栅极电压和电流驱动电子固态开关102。

继电器组件100还可以包括多个传感器110，其电连接到电子固态开关102以提供栅极信号来将MOSFET切换成导通或关断。传感器110用于诊断，并且被配置为测量例如继电器组件100的电流、电压和/或温度。例如，继电器组件100可以包括电流传感器112，其被配置为测量电子固态开关102中的电流（即，安培数）。除了电流传感器112之外，继电器组件100可以包括被配置为测量电子固态开关102的电源端子的电压的电压传感器116。此外，继电器组件100包括一个或多个温度传感器148，以测量电子固态开关102的温度。电流传感器112可以电连接到负载L。

继电器组件100还包括一个或多个专用保护电路106，其被配置为保护电子固态开关102免受过电压、短路和/或过热。保护电路106可以包括电连接到电子固态开关102的缓冲器电路108，以允许在小于0.5毫秒（例如，小于0.2毫秒）内切换来自电压供应202 （其具有预定电感）的额定电流，同时最小化电子固态开关102两端的瞬态电压。缓冲器电路108被配置为吸收能量并防止由于寄生电容引起的电压和电流的振荡。如图2B中所示，缓冲器电路108可以与电子固态开关102并联电连接。如图2C中所示，缓冲器电路可以具有一个或多个瞬态电压抑制器（TVS）109，诸如齐纳二极管（Zener diode），其与预定阈值的阻尼电阻器-电容器电路（RC电路）111并联电连接。RC电路111包括与电容器117串联电连接的电阻器115。替代地，如图2D中所示，缓冲器电路108可以只包括电连接在电子固态开关102的电源端子之间的RC电路11。

继电器组件100还包括模块118，其包括电流感测放大器120、故障逻辑电路114和电压传感器116。电压传感器116被配置为测量电子固态开关102的电源端子两端的电压。故障逻辑电路114被配置为输出故障信号FS （指示电子固态开关102中的故障状况）。此外，故障逻辑电路114被配置为输出继电器状态信号RSS （其指示电子固态开关102的状态）。模块118通过栅极驱动器电路104电连接到电子固态开关102。

模块118还包括电连接到电子固态开关102的通信接口124，诸如控制器局域网（CAN）总线接口。如图2A中所示，继电器组件100包括电连接到电子固态开关102并直接从壳体122突出的正极端子126 （DC+）和负极端子128 （DC-）。栅极驱动器电路104的端子130直接从壳体122延伸。如图2和图3中所示，保护电路106和栅极驱动器电路104可以完全设置在壳体122内部，以便保护和用于最小化继电器组件100的尺寸。电子固态开关102、传感器110、模块118、保护电路106和栅极驱动器电路104可以完全设置在壳体122内部，以最小化继电器组件100占据的空间。

参照图4和图5，栅极驱动器电路104设置在壳体122的外部。栅极驱动器电路104包括多个引线105，其被压配合到壳体122中。壳体122可以具有孔107，其均被定尺寸成以压配合配置接收相应的引线105中的一个。引线105可以非常短，以实现壳体122和栅极驱动器电路104之间的压配合连接，从而使继电器组件100的寄生电感和尺寸最小化。

参照图6，继电器组件100的正极端子126和负极端子128电连接到控制板132。继电器组件100还可以包括将控制板132耦合到插入器136的一个或多个互连件134。插入器136支撑一个或多个栅极驱动器电路104和一个或多个无源电子部件138。封装件140可以设置在继电器组件100内部。封装件140封装一个或多个功率器件142，诸如电子固态开关102、以及一个或多个互连件（例如，柔性金属箔144）。金属箔144将功率器件142彼此电连接。散热器可以耦合到封装件140以用于热管理。

参照图7，继电器组件100可以包括直接结合的衬底146，诸如直接结合的铜（DBC）衬底或直接结合的铝（DBA）衬底。一个或多个电子固态开关102 （例如MOSFET）可以直接设置在直接结合衬底146上，以最小化继电器组件100的尺寸。一个或多个温度传感器148，诸如热敏电阻，可以直接设置在直接结合的衬底146上，以使继电器组件100的尺寸最小化。正极端子126和负极端子128可以被配置为直接设置在直接结合的衬底146上的金属迹线，以最小化继电器组件100的尺寸。栅极驱动器电路104被配置为直接设置在直接结合衬底146上的呈管芯（die）形式的芯片，以最小化电感。

参照图8，继电器组件100可以是自供电的。为此，继电器组件100包括完全设置在壳体122内部的本地电源150，诸如电池。电源150电连接到模块118以向继电器组件100供电，从而消除了对如图1中的栅极驱动器的外部电源信号的需要。

具体实施方式和附图或图支持和描述本教导，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实现本教导的一些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践在所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。例如，图3-图7中所示的实施例仅仅是示例，并且不一定是将功能和栅极驱动器集成到单个继电器组件壳体中的唯一方式。