专利名称：用于燃料电池的功率无触点电子开关装置的制作方法
技术领域：
用于燃料电池的功率无触电开关装置属于燃料电池的控制开关技术领域，尤其涉及到燃料电池的IGBT功率开关技术领域。
本实用新型所提出的用于燃料电池的功率无触点电子开关装置，含有连接外部燃料电池，输出端连接负载，由绝缘栅双极晶体管IGBT构成的功率模块及该功率模块的驱动电路、保护电路，以及所述功率模块与驱动电路、保护电路之间的反馈电路，其特征在于所述保护电路含有两个共同由直流电源U1供电，并依次串联的四二输入与非缓冲器IC1和IC2，所述与非缓冲器IC1的输入端连接导通按钮SB1、截止按钮SB2和所述直流电源U1的正极；所述驱动电路含有由直流电源U2供电，输入端与所述与非缓冲器IC2的触发信号输出端相连，而输出端与所述绝缘栅双极晶体管的栅极相连的触发芯片IC4；所述反馈电路含有反相连接在所述绝缘栅双极晶体管的集电极与所述触发芯片IC4的反馈信号输入端之间的快速二极管D，和连接在所述触发芯片IC4的反馈信号输出端与所述与非缓冲器IC1的反馈信号输入端之间的光耦IC3。。
上述与非缓冲器IC2的两个状态信号输出端与所述直流电源U1的正极之间分别反相串联一个发光二极管LED1和LED2。
上述功率模块由三个并联的绝缘栅双极晶体管IGBT构成，所述三个绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极共同连接所述触发芯片IC4的输出端，其集电极共同连接燃料电池，其发射极的共同连接负载。
上述与非缓冲器IC1和IC2的型号均为SN74LS37，光耦IC3的型号为TLP521，触发芯片IC4的型号为EXB841。
试验证明，使用本实用新型所提出的用于燃料电池的功率无触点电子开关装置达到了预期的目的。
如
图1所示，本装置含有由绝缘栅双极晶体管IGBT构成的功率模块，及该功率模块的驱动电路和保护电路，在功率模块的绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极与驱动模块的反馈信号输入端之间，反相连接一个快速二极管D，在驱动模块的反馈信号输出端和保护电路的反馈信号输入端之间连接一个光耦。保护电路的输入端分别连接导通、截止按钮。保护电路和驱动电路分别由专用的直流电源U1和U2供电。本开关装置连接在燃料电池和负载之间，其功率模块的绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极接燃料电池(电堆)，IGBT管的发射极接负载。
如图2所示，是本装置的一个具体实施方式
。保护电路含有两个四二输入与非缓冲器IC1和IC2，其型号均为SN74LS37，其中IC1的输入端1、5、13、9通过上拉电阻R1、R2、R3连接到直流电源U1的正极，使输入端在开关未工作时处于高电平，其输入端的1端还通过导通按钮SB1连接电源U1的负极，其13端通过截止按钮SB2也连接电源U1的负极，IC1的输出端按图示方式接IC2的输入端。驱动电路含有一个触发芯片IC4，其型号为EXB841，该芯片由直流电源U2供电，其触发信号输入端15通过限流电阻R6连接IC2的触发信号输出端11，接受保护电路输出的触发信号，其输出端3通过限流电阻R8连接功率模块中绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极，其14端接电源U1的负极。在绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极和IC4的反馈信号输入端6之间反相连接一个快速二极管D，在IC4的反馈信号输出端5和IC1的反馈信号输入端9之间连接一个光耦IC3，光耦IC3电源端4连接直流电源U1的负极，其1端通过限流电阻R7和直流电源U2的正极相连，使光耦起到光电隔离的作用。快速二极管D和光耦IC3则构成了功率模块与驱动电路和保护电路之间的反馈电路。在IC2的状态信号输出端3和6与电源U1的正极之间分别通过限流电阻R4和R5反相连接一个发光二极管LED1和LED2，作为状态指示用。图中IGBT管的型号为CM600HA-24H，光耦IC3的型号为TLP521，快速二极管D的型号为ERA34-10。IC1和IC2的14端和7端分别接电源U1的正极和负极，IC4的2端和9端分别接电源U2的正极和负极，其1端和4端分别通过去耦电容C6和C5连接电源U2的负极。
本开关装置的工作方式如下当导通按钮SB1未按下时，开关未工作，此时IC1的输入端均为高电平，IC2的触发信号输出端11为低电平，没有触发信号进入IC4，IC4的输出端3为低电平，绝缘栅双极晶体管IGBT管处于截止状态，IC2的状态信号输出端3和6均为高电平，LED1和LED2均不亮；按下导通按钮SB1后，IC1的输入端1变为低电平，此时IC2的11端变为高电平，使IC4的15端接到触发信号，其输出端3变为高电平，IGBT管处于饱和导通状态，IC2的状态信号输出端3变为低电平，使LED1发光，作为饱和导通的状态指示，而IC2的状态信号输出端6仍为高电平，LED2不亮；按下截止按钮SB2后，IC1的输入端5和13变为低电平，此时，IC2的触发信号输出端11变为低电平，使IC4的输出端3由高电平变为低电平，IGBT管处于截至状态。与导通状态相反，此时IC2的状态信号输出端3变为高电平，LED1熄灭，表示开关处于未工作状态，IC2的状态信号输出端6仍为高电平，LED2不亮；当开关处于导通状态时，若工况异常，负载发生短路，IGBT管的压降和集电极电流将急剧增大使快速二极管D反向截止，触发芯片IC4的反馈信号输入端6由低电平变为高电平，其反馈信号输出端5由高电平变为低电平，致使光耦IC3的两端4和5导通，IC1的反馈信号输入端9由高电平变为低电平，IC2的触发信号输出端11由高电平变为低电平，IC4的输出端3变为低电平，使IGBT管关断。此时，IC2的状态信号输出端3由低电平变为高电平，LED1熄灭，而IC2的6端由高电平变为低电平，LED2发光，指示有故障发生，IGBT处于受保护关断状态。快速二极管D在此完成了过流保护功能，其保护整定值的设定，可以通过调整快速二极管D的器件参数来实现。
为了满足开关装置针对燃料电池工况的特殊需求，适应燃料电池的大电流的要求，采用将IGBT管三并联的结构，将三个IGBT管的栅极共同连接驱动电路IC4的输出端3，集电极共同连接燃料电池(电堆)，发射极共同连接负载。实际使用时，还需在IGBT管的两侧加散热器，以解决开关自身功耗引起的温升，保证开关装置运行的安全性。图2中R1～R8均为限流电阻，C1、C2、C3、C5和C6为去耦电容，C4为稳压电容。直流电源U1为5V，U2为20V。
本实用新型所提出的开关装置，结构简单，在负载切断过程中，没有电弧产生；带有自整定性过流保护功能；能满足燃料电池大电流需要，完全符合燃料电池对于开关控制的要求。
权利要求1.用于燃料电池的功率无触点电子开关装置，含有连接外部燃料电池，输出端连接负载，由绝缘栅双极晶体管IGBT构成的功率模块及该功率模块的驱动电路、保护电路，以及所述功率模块与驱动电路、保护电路之间的反馈电路，其特征在于所述保护电路含有两个共同由直流电源U1供电，并依次串联的四二输入与非缓冲器IC1和IC2，所述与非缓冲器IC1的输入端连接导通按钮SB1、截止按钮SB2和所述直流电源U1的正极；所述驱动电路含有由直流电源U2供电，输入端与所述与非缓冲器IC2的触发信号输出端相连，而输出端与所述绝缘栅双极晶体管的栅极相连的触发芯片IC4；所述反馈电路含有反相连接在所述绝缘栅双极晶体管的集电极与所述触发芯片IC4的反馈信号输入端之间的快速二极管D，和连接在所述触发芯片IC4的反馈信号输出端与所述与非缓冲器IC1的反馈信号输入端之间的光耦IC3。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的功率无触点电子开关装置，其特征在于，在所述与非缓冲器IC2的两个状态信号输出端与所述直流电源U1的正极之间分别反相串联一个发光二极管LED1和LED2。
3.如权利要求1所述的用于燃料电池的功率无触点电子开关装置，其特征在于，所述功率模块由三个并联的绝缘栅双极晶体管IGBT构成，所述三个绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极共同连接所述触发芯片IC4的输出端，其集电极共同连接燃料电池，其发射极共同连接负载。
4.如权利要求1所述的用于燃料电池的功率无触点电子开关装置，其特征在于，所述与非缓冲器IC1和IC2的型号均为SN74LS37。
5.如权利要求1所述的用于燃料电池的功率无触点电子开关装置，其特征在于，所述光耦IC3的型号为TLP521。
6.如权利要求1所述的用于燃料电池的功率无触点电子开关装置，其特征在于，所述触发芯片IC4的型号为EXB841。
专利摘要用于燃料电池的功率无触点电子开关装置属于燃料电池的控制开关技术领域，尤其涉及到燃料电池的IGBT功率开关技术领域。它含有由绝缘栅双极晶体管IGBT构成的功率模块及其驱动电路、保护电路和反馈电路，其特征是，所述保护电路含有两个依次串联的四二输入与非缓冲器IC1和IC2，驱动电路含有输入端与IC2的输出端相连，输出端与IGBT的栅极相连的触发芯片IC4，反馈电路含有反相连接在IGBT的集电极和IC4的反馈信号输入端之间的快速二极管D，和连接在IC4的反馈信号输出端与IC1的反馈信号输入端之间的光耦IC3。本实用新型带有自整定性过流保护功能，能满足大电流需要，完全符合燃料电池对于开关控制的要求。
文档编号H03K17/567GK2593468SQ0320036
公开日2003年12月17日 申请日期2003年1月10日 优先权日2003年1月10日
发明者毛宗强, 解正国, 胡立方 申请人:清华大学