一种电动汽车充电枪电子锁的控制电路，涉及电动汽车的充电技术领域，包括连接在CPU上的第一PWM信号和第二PWM信号、第一前级驱动模块A和第二前级驱动模块A、第一后级驱动模块B和第二后级驱动模块B；本发明只需一路驱动电源，即可以控制驱动四个开关管。本发明具有较小的空间体积，因其元件均可为贴片，元件个数较少。本发明通过简单的计算选择合适的参数，可以使场效应管功率元件在正常工作状态下都处于安全工作区间。
一种电动汽车充电枪电子锁的控制电路
技术领域
[0001] 本发明涉及电动汽车的充电技术领域，特别是电动汽车充电枪电子锁的驱动技术领域。
背景技术
[0002] 随着人们对用电安全意识的逐渐强化，电动汽车直流充电桩作为一种高压大电流设备，如果用户在使用过程中操作不当，如在充电过程中拔出充电枪，可能会导致触电危险。因此充电桩的充电枪上增加了电子锁装置。
[0003] 电子锁驱动通常采用电平驱动方式，采用电平驱动方式由于驱动线圈阻抗小，电流大，功耗大，发热量大，其寿命和可靠性都不高。
[0004] 电子锁驱动还可以采用正负脉冲驱动方式，电子锁只有在需要锁止或者解锁时才需要驱动电路输出相应的正负脉冲驱动电源，不需要高电平大电流维持其状态，其工作功耗小，发热量小，寿命和可靠性高。
[0005] 现有的产生正负脉冲技术常见的电路有分别使用两路电源，一路为正电源，一路为负电源，分别采用开关器件控制正负电源的关断导通，分别产生正负脉冲驱动电源。这种方式需要增加一路负电源或者增加辅助电源中变压器产生负电源的绕组，给设计带来不便。
[0006] 还有一种采用三极管桥式推挽结构的方式，因为主体元件是三极管，而类似于电子锁装置的驱动脉冲电流往往比较大，为数安培，三极管为电流型驱动器件，如果选用常见的放大倍数为100～200倍的三极管，其放大倍数在电流增大后会减小到只有几十倍，则需要很大的基极电流才能使三极管漏极-发射极工作在饱和状态，同样在对基极串联的限流电阻的功率和体积等方面要求比较高，另外也损失了大量的效率。
[0007] 如果简单的将三极管桥式推挽的结构中的三极管更换为对应的场效应管，即桥式推挽结构，上管更换为P沟道场效应管，下管为N沟道场效应管，由于P沟道场效应管的关断阈值与N沟道场效应管开通阈值较为接近，容易产生上下管同时导通的风险。
发明内容
[0008] 本发明目的是针对充电枪电子锁的驱动要求，提出一种从节约成本、简化设计和增加可靠性方面考虑的能产生正负脉冲电源的电动汽车充电枪电子锁的控制电路。
[0009] 本发明包括连接在CPU（11）上的第一PWM信号和第二PWM信号、第一前级驱动模块A（2）和第二前级驱动模块A（3）、第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）、为CPU（11）提供电源的供电系统（VDD）、为第一前级驱动模块A（2）、第二前级驱动模块A（3）、第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）供电的直流电源VCC；
[0010] 所述第一PWM信号和第二PWM信号的电平互补；
[0011] 所述第一PWM信号通过第一前级驱动模块A（2）与第一后级驱动模块B（4）连接；
[0012] 所述第二PWM信号通过第二前级驱动模块A（3）与第二后级驱动模块B（5）连接；
[0013] 电子锁执行电路的两端分别与第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）连接。
[0014] 电子锁装置的电子锁执行电路作为负载接入系统中，可以根据电子锁的极性或状态来确定第一PWM信号和第二PWM信号的高低电平脉冲。当第一PWM信号为高电平脉冲，且第二PWM信号为低电平脉冲时，电子锁装置处于锁止状态；当第一PWM信号为低电平脉冲，且第二PWM信号为高电平脉冲时，电子锁装置处于解锁状态。
[0015] 本发明只需要占用CPU的两个端口，给出电平互补的两个PWM信号，控制锁止和解锁功能。本发明区别于全桥电源驱动电路，全桥电源驱动电路需要至少三路相互隔离的独立电源分别驱动四个开关管。本发明不需要增加额外负电源或变压器绕组，只需要一路驱动电源，即可以控制驱动四个开关管。
[0016] 本发明最小化因驱动造成的能量损耗及发热量，因其结构中功率元件可均为效应管属于电压控制型元件，所以无需较大驱动电流。另外场效应管漏-源极导通电阻普遍很小，这对于控制能量损耗及发热量起了重要作用。
[0017] 本发明具有较小的空间体积，因其元件均可为贴片，元件个数较少，随着半导体元件技术不断提高，这一优势将更加明显。
[0018] 本发明具有很高的可靠性，这一优势主要体现在其结构中的场效应管功率元件。通过简单的计算选择合适的参数，可以使场效应管功率元件在正常工作状态下都处于安全工作区间。其内部功率元件有条不紊工作，提高了整体系统的可靠性。另外本发明对于CPU发送非锁止或解锁信号（如电平同步的PWM控制信号）时表现为在电子锁两端电平为0V，这并不会损坏驱动模块的功率元件。
[0019] 进一步地，本发明所述第一前级驱动模块A（2）包括第一、二、三和四电阻（21、22、23、25）及第一三极管（24），第一电阻（21）的一端接CPU（11）的I/O端口，另外一端接第一三极管（24）的基极，第二电阻（22）并联在第一三极管（24）的基极和发射极两端，第三电阻（23）一端接直流电源VCC的正端，第三电阻（23）的另一端接第一三极管（24）的集电极和第四电阻（25）的一端，第一三极管（24）的发射极接直流电源VCC的负极。
[0020] 所述第二前级驱动模块A（3）包括第五、六、七和八电阻（31、32、33、35）及第二三极管（34），第五电阻（31）的一端接CPU（11）的I/O端口，另外一端接第二三极管（34）的基极，第六电阻（32）并联在第二三极管（34）的基极和发射极两端，第七电阻（33）一端接直流电源VCC的正端，第七电阻（33）的另一端接第二三极管（34）的集电极和第八电阻（35）的一端，第二三极管（34）的发射极接直流电源VCC的负极。
[0021] 第一前级驱动模块A（2）和第二前级驱动模块A（3）分别包括了三极管等元件。该部分结构将CPU（11）来的信号经过处理后驱动第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）。一方面因后级驱动模块可能是三极管构成功率元件的结构，所以要求其驱动电流比较大，需要此部分结构增加CPU（11）的驱动带载能力。另外一方面，第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）的功率元件的电源电压幅值大小通常等于电子锁的驱动电压幅值大小，所以需要其驱动电压大小也比较高，而CPU（11）出来的信号电压通常为比较低（一般为3.3V），因此此结构起到提高后级驱动电压的作用。另外此结构因采用基本的共射极放大电路，线路简单，元件个数较少，成本低，可选择普通的三极管，基极电流小。
[0022] 本发明所述第一后级驱动模块B（4）包括第九电阻（43）、第十电阻（44）、第一稳压二极管（47）、第二稳压二极管（48）、第一P沟道场效应管（45）和第一N沟道场效应管（46）；第一P沟道场效应管（45）的源端连接在直流电源VCC的正端，第九电阻（43）并联在第一P沟道场效应管（45）的栅-源两端，第一稳压二极管（47）的负极连接第一P沟道场效应管（45）的栅极，第一稳压二极管（47）的正极分别连接第四电阻（25）的另一端和第二稳压二极管（48）的一端，第二稳压二极管（48）的另一端连接第一N沟道场效应管（46）的栅极，第十电阻（44）并联在第一N沟道场效应管（46）的栅-源两端，第一N沟道场效应管（46）的一个源端连接直流电源VCC的负极，第一N沟道场效应管（46）的另一个漏端与第一P沟道场效应管（45）的另一个漏端的连接端连接在电子锁执行电路的正极端。
[0023] 本发明所述第二后级驱动模块B（5）包括第十一电阻（53）、第十二电阻（54）、第三稳压二极管（57）、第四稳压二极管（58）、第二P沟道场效应管（55）和第二N沟道场效应管（56）；第二P沟道场效应管（55）的源端连接在直流电源VCC的正端，第十一电阻（53）并联在第二P沟道场效应管（55）的栅-源两端，第三稳压二极管（57）的负极连接第二P沟道场效应管（55）的栅极，第三稳压二极管（57）的正极分别连接第八电阻（35）的另一端和第四稳压二极管（58）的负极，第四稳压二极管（58）的正极连接第二N沟道场效应管（56）的栅极，第十二电阻（54）并联在第二N沟道场效应管（56）的栅-源两端，第二N沟道场效应管（56）的一个源端连接直流电源VCC的负极，第二N沟道场效应管（56）的另一个漏端与第二P沟道场效应管（55）的另一个漏端的连接端连接在电子锁执行电路的负极端。
[0024] 第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）分别是由开关管组成的类似于桥式推挽结构。本结构接收第一前级驱动模块A（2）、第二前级驱动模块A（3）处理后的信号，经过一系列操作转换为电子锁（61）锁止和解锁驱动所需要的正负脉冲电压信号。
[0025] 本结构采用对称的结构，因为上下桥的场效应管的驱动阀值电压一般低于电源VCC（一般为12V）的一半，所以该结构中对功率元件的驱动做了改进，每个功率元件通过结合两个小模块降压，因此实际到功率元件的驱动电压都没有模块的输入电压高，因此可以保证该模块在输入范围内任何电压下都不会出现功率元件第一P沟道场效应管（45）和第一N沟道场效应管（46）同时导通、第二P沟道场效应管（55）和第二N沟道场效应管（56）同时导通的情况。本结构在可靠性上比桥式推挽结构有了很大的提高，避免控制失效的状况。
[0026] 还可以避免输入的信号为电平同步的异常状况，即使输入信号为电平同步信号时，上面两个功率元件第一P沟道场效应管（45）和第一N沟道场效应管（46）同时导通或下面两个功率元件第二P沟道场效应管（55）和第二N沟道场效应管（56）同时导通，输出到电子锁两的电压为0V左右，因此对电子锁无任何影响，这四个功率元件也不会有损坏，提高了整体系统的可靠性。
[0027] 另外，第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）的结构也可以是：
[0028] 所述第一后级驱动模块B（4）包括第九电阻（43’）、第十电阻（44’）、第一稳压二极管（47’）、第十三电阻（48’）、第一P沟道场效应管（45’）和第一N沟道场效应管（46’）；第一P沟道场效应管（45’）的源端连接在直流电源VCC的正端，第九电阻（43’）并联在第一P沟道场效应管（45’）的栅-源两端，第一稳压二极管（47’）的负极连接第一P沟道场效应管（45’）的栅极，第一稳压二极管（47’）的正极分别连接第四电阻（25）的另一端和第十三电阻（48’）的一端，第十三电阻（48’）的另一端连接第一N沟道场效应管（46’）的栅极，第十电阻（44’）并联在第一N沟道场效应管（46’）的栅-源两端，第一N沟道场效应管（46’）的一个源端连接直流电源VCC的负极，第一N沟道场效应管（46’）的另一个漏端与第一P沟道场效应管（45’）的另一个漏端的连接端连接在电子锁执行电路的正极端。
[0029] 所述第二后级驱动模块B（5）包括第十一电阻（53’）、第十二电阻（54’）、第三稳压二极管（57’）、第十四电阻（58’）、第二P沟道场效应管（55’）和第二N沟道场效应管（56’）；第二P沟道场效应管（55’）的源端连接在直流电源VCC的正端，第十一电阻（53’）并联在第二P沟道场效应管（55’）的栅-源两端，第二稳压二极管（57’）的负极连接第二P沟道场效应管（55’）的栅极，第三稳压二极管（57’）的正极分别连接第八电阻（35）的另一端和第十四电阻（58’）的一端，第十四电阻（58’）的另一端连接第二N沟道场效应管（56’）的栅极，第十二电阻（54’）并联在第二N沟道场效应管（56’）的栅-源两端，第二N沟道场效应管（56’）的一个源端连接直流电源VCC的负极，第二N沟道场效应管（56’）的另一个漏端与第二P沟道场效应管（55’）的另一个漏端的连接端连接在电子锁执行电路的正极端。
[0030] 该结构除了都可以确保第一后级驱动模块B（4）和第二后级驱动模块B（5）中上下两个功率元件不会同时导通而损坏以外，还提高了电路设计的精确性，第十三电阻（48’）和第十四电阻（58’）的大小可以根据设计自由选择，相比稳压二极管，电阻有更多的参数选择，增加电路设计的灵活性。
附图说明
[0031] 图1为本发明的结构原理框图。
[0032] 图2为第一后级驱动模块B和第二后级驱动模块B的工作原理图。
[0033] 图3为第一实施例对应的具体线路图。
[0034] 图4为第二实施例对应的具体线路图。
具体实施方式
[0035] 如图1所示，本发明包含了由控制单元1中的CPU 11输出的两个PWM信号，分别为PWM信号1和PWM信号2。为了要产生正负电源，PWM信号1和PWM信号2必须是电平互补。
[0036] 因为CPU 11的I/O端口电平通常为3.3V，驱动能力比较弱，所以需要增加驱动模块，故 PWM信号1通过第一前级驱动模块A 2与第一后级驱动模块B 4连接； PWM信号2通过第二前级驱动模块A 3与第二后级驱动模块B 5连接。
[0037] 电动汽车充电枪装置6的电子锁执行电路61的两端分别与第一后级驱动模块B 4和第二后级驱动模块B 5连接。
[0038] 为CPU 11有及以上各模块提供电源的供电系统VDD、直流电源VCC 7可以是外部提供的独立辅助电源模块，也可以是集成在充电控制单元0中。
[0039] 如图1所示，CPU 11提供电源的供电系统VDD为CPU 11的电源输入，电压大小通常为3.3V，直流电源VCC 7为根据电子锁负载的实际电源要求来设定的电压值电源。
[0040] 如图2所示，为第一后级驱动模块B 4和第二后级驱动模块B 5供电的直流电源VCC 7可由辅助电源提供。
[0041] 功率元件41、51为P沟道场效应管（上管），功率元件42、52为N沟道场效应管（下管）。电动汽车充电枪装置6的电子锁执行电路61正负电源端口分别接在功率元件41、42和功率元件51、52连接处。当功率元件41和功率元件52导通，且功率元件42和功率元件51断开时，电源经过实线箭头49方向产生锁止（+VCC）正脉冲驱动源，电子锁执行电路61锁止；当功率元件42和功率元件51导通，且功率元件41和功率元件52断开时，电源经过虚线箭头59方向产生解锁（-VCC）负脉冲源，电子锁执行电路61解锁。
[0042] 实施例1：
[0043] 如图3所示，其中PWM信号1和PWM信号2由CPU 11产生。
[0044] 第一驱动模块A 2的作用为提高CPU 11的带载能力和场效应管的驱动能力。电阻21一端接CPU 11的I/O端口，另外一端接三极管24的基极，电阻22并联在三极管24的基极和发射极两端，电阻23一端接电源VCC的正端，另外一端接三极管24的集电极和电阻25的一端，三极管24的发射极接电源VCC的负极（图3中为GND端）。
[0045] 第二驱动模块A 3的作用为提高CPU（11）的带载能力和场效应管的驱动能力。电阻31一端接CPU 11的I/O端口，另外一端接三极管34的基极，电阻32并联在三极管34的基极和发射极两端，电阻33一端接电源VCC的正端，另外一端接三极管34的集电极和电阻35的一端，三极管34的发射极接电源VCC的负极。
[0046] 第一驱动模块A 2的工作原理是：当PWM信号1为高电平时，经过电阻21、22分压，驱动三极管24工作在饱和导通状态，三极管24的集电极电压为低电平；当PWM信号1为低电平时，经过电阻21、22，使得三极管24工作在截止状态，三极管24的集电极电压为高电平，并通过电阻25接到第一驱动模块B 4 。
[0047] 第二驱动模块A 3的工作原理是：当PWM信号2为高电平时，经过电阻31、32分压，驱动三极管34工作在饱和导通状态，三极管34的集电极电压为低电平；当PWM信号2为低电平时，经过电阻31、32，使得三极管34工作在截止状态，三极管34的集电极电压为高电平，并通过电阻35接到第二驱动模块B 5。
[0048] 第一驱动模块B 4主要由电阻43、44、稳压二极管47、48、P沟道场效应管45和N沟道场效应管46组成。场效应管45的源端连接在电源VCC的正端，电阻43并联在场效应管45的栅-源两端，稳压二极管47的负极接P沟道场效应管45的栅极，稳压二极管47的正极连接第一驱动模块A 2中电阻25的另一端和稳压二极管48的负极，稳压二极管48的正极连接N沟道场效应管46的栅极，电阻44并联在场效应管46的栅-源两端。N沟道场效应管46的一个源端连接直流电源VCC的负极，N沟道场效应管46的另一个漏端与P沟道场效应管45的另一个漏端的连接端连接在电子锁执行电路61的正极端。
[0049] 第二驱动模块B 5主要由电阻53、54，稳压二极管57、58、P沟道场效应管55和 N沟道场效应管56组成。场效应管55的源端连接在电源VCC的正端，电阻53并联在场效应管55的栅-源两端，稳压二极管57的负极接P沟道场效应管55的栅极，稳压二极管57的正极连接第二驱动模块A 3中电阻35的另一端和稳压二极管58的负极，稳压二极管58的正极连接N沟道场效应管56的栅极，电阻54并联在场效应管56的栅-源两端。N沟道场效应管56的一个源端连接直流电源VCC的负极， N沟道场效应管56的另一个漏端与P沟道场效应管55的另一个漏端的连接端连接在电子锁执行电路61的负极端。
[0050] 第一驱动模块B 4和第二驱动模块B 5的工作原理是：
[0051] 1）锁止功能：当电阻25来的信号为低电平脉冲（约为0V）时，电源VCC经过P沟道场效应管45和稳压二极管47到电阻25，所以P沟道场效应管45正常导通，电子锁执行电路61 (+)端变为高电平脉冲（幅值约为VCC）。同时电阻35来的信号为高电平脉冲（幅值约为VCC），经过稳压二极管58使N沟道场效应管56导通，电子锁执行电路61 (-)端变为低电平脉冲（0V左右）。因此在电子锁驱动两端的电压脉冲幅值为+VCC，电子锁执行电路61锁止。
[0052] 2）解锁功能：当电阻35来的信号为低电平脉冲（约为0V）时，电源VCC经过P沟道场效应管55和稳压二极管57到电阻35，所以P沟道场效应管55正常导通，电子锁执行电路61 (-)端变为高电平脉冲（幅值约为VCC）。同时电阻25来的信号为高电平脉冲（幅值约为VCC），经过稳压二极管48使N沟道场效应管46导通，电子锁执行电路61 (+)端变为低电平脉冲（0V左右）。因此在电子锁驱动两端的电压脉冲幅值为-VCC，电子锁执行电路61解锁。
[0053] 稳压二极管47和48选定合适的参数，保证：
[0054] 1）如果驱动模块A中电阻25出来的电压接近高电平时，场效应管45的栅极-源极电压因为稳压二极管47的限制无法达到开启的阀值电压，而场效应管46的栅极-源极电压能够达到开启的阀值电压，此时场效应管45截止，场效应管46导通。
[0055] 2）如果驱动模块A中电阻25出来的电压接近高电平一半大小时，场效应管45的栅极-源极电压因为稳压二极管47的限制无法达到开启的阀值电压，而场效应管46的栅极-源极电压因为稳压二极管48的限制无法达到开启的阀值电压，此时场效应管45截止，场效应管46截止。
[0056] 3）如果驱动模块A中电阻25出来的电压接近低电平时，场效应管45的栅极-源极电压能够达到开启的阀值电压，而场效应管46的栅极-源极电压因为稳压二极管48的限制无法达到开启的阀值电压，此时场效应管45导通，场效应管46截止。
[0057] 上述三种状态看，场效应管45和场效应管46不会出现同时处于导通状态。
[0058] 同理稳压二极管57和58选定合适的参数，场效应管55和场效应管56也不会同时处于导通状态。
[0059] 电阻43、44、53、54分别用来确保场效应管45、46、55、56在不工作的时候，栅-源两端电压为0V左右，进而对应场效应管的漏-源极完全断开。
[0060] 实施例2：
[0061] 如图4所示，与实施例1不同的是：实施例1中N沟道场效应管的栅极驱动串联了一个稳压二极管48和58，而在实施例2中将稳压二极管48和58换成了电阻48’和58’，从第一驱动模块A 2中电阻25出来的电压通过电阻48’和44’的分压，使得N沟道场效应管46’（截止时）的栅极电压降低。
[0062] 稳压二极管47’和电阻48’选定合适的参数，保证：
[0063] 1）如果驱动模块A中电阻25出来的电压接近高电平时，场效应管45’的栅极-源极电压因为稳压二极管47’的限制无法达到开启的阀值电压，而场效应管46’的栅极-源极电压能够达到开启的阀值电压，此时场效应管45’截止，场效应管46’导通。
[0064] 2）如果驱动模块A中电阻25出来的电压接近高电平一半大小时，场效应管45’的栅极-源极电压因为稳压二极管47’的限制无法达到开启的阀值电压，而场效应管46’的栅极-源极电压因为电阻48’和电阻44’的分压无法达到开启的阀值电压，此时场效应管45’截止，场效应管46’截止。
[0065] 3）如果驱动模块A中电阻25出来的电压接近低电平时，场效应管45’的栅极-源极电压能够达到开启的阀值电压，而场效应管46’的栅极-源极电压因为电阻48’和电阻44’的分压无法达到开启的阀值电压，此时场效应管45’ 导通，场效应管46’截止。
[0066] 从上述3种状态看，场效应管45’和场效应管46’不会同时处于导通状态。
[0067] 同理稳压二极管57’和电阻58’选定合适的参数，场效应管55’和场效应管56’也不会同时处于导通状态。
[0068] 本发明的可达到的有益效果：
[0069] 通过软件编程设置程序让PWM信号1产生高电平，PWM信号2产生低电平，这时按照实施例中的电子锁执行电路61接线顺序，在电子锁两端产生+VCC电压脉冲驱动信号，实现锁止功能。
[0070] 通过软件编程设置程序让PWM信号1产生低电平，PWM信号2产生高电平，这时按照实施例中的电子锁执行电路61接线顺序，在电子锁两端产生-VCC电压脉冲驱动信号，实现解锁功能。
[0071] 调整第一实施例具体线路图3中的稳压二极管47和48的稳压值大小可以确保场效应管45和46不会同时导通，避免场效应管45和46因电流大而过热损坏。
[0072] 调整第一实施例具体线路图3中的稳压二极管57和58的稳压值大小可以确保场效应管55和56不会同时导通，避免场效应管55和56因电流大而过热损坏。
[0073] 调整第二实施例具体线路图4中的稳压二极管47’和电阻44’、48’的参数大小可以确保场效应管45’和46’不会同时导通，避免场效应管45’和46’因电流大而过热损坏。
[0074] 调整第二实施例具体线路图4中的稳压二极管57’和电阻54’、58’的参数大小可以确保场效应管55’和56’不会同时导通，避免场效应管55’和56’因电流大而过热损坏。
