隔离继电器、封装结构、电池包电压检测系统及新能源汽车的制作方法

1.本技术涉及隔离继电器的技术领域，具体地涉及隔离继电器、封装结构、电池包电压检测系统及新能源汽车。


背景技术：

2.继电器是一种电控制器件，是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种"自动开关"，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
3.新能源汽车继电器是高压电路上的受控开关器件，同时也在系统中扮演主动保护器件的角色。它在高压回路的各个开关节点都有应用，动力电池主回路、快充回路，高压用电器供电线路如电机、dcdc(直流转直流)、空调压缩机，加热器等。和一般继电器的功能一样，继电器在电气自动化工业中起到的是“开关”的作用，也就是通过控制一个电路通断从而控制下一个电路通断的这个中间环节。因此，汽车继电器的作用是控制电流的大小与通断。
4.现有新能源汽车中一般采用光耦隔离mos(metal-oxide-semiconductor，金属氧化物半导体)继电器。光耦隔离mos继电器采用光耦驱动三极管，由单片机给出合适的电信号来控制光耦端，以光为媒介来传输电信号。当在输入端加电信号时，发光器发出光线，受光器接收到信号后产生光电流后，从输出端流出，从而实现“光—电—光”的转换，以此来驱动三极管导通。光耦隔离mos继电器以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。但是光耦mos隔离继电器与现代硅基半导体器件相比，它们的循环寿命有限，并且由于光耦传输延时较长，影响切换速度。上述问题是亟需解决的技术问题。
5.本背景技术描述的内容仅为了便于了解本领域的相关技术，不视作对现有技术的承认。


技术实现要素：

6.因此，本发明实施例意图提供一种在实现光耦隔离应用的基础上，同时具有低传输延迟和低功耗等优点的隔离继电器，并且该隔离继电器在更高的环境温度下工作，具有更好的长期可靠性和老化特性。
7.在第一方面，本发明实施例提供了一种隔离继电器，其特征在于，包括：原边裸片、原边副边线圈、副边裸片以及隔离场效应晶体管；所述原边副边线圈与所述原边裸片以及所述副边裸片电连接；所述副边裸片的输出端连接到所述隔离场效应晶体管。
8.可选的，所述原边裸片包括：光耦二极管、线性稳压器、第一mos管、第二mos管、欠压锁定电路、以及rc振荡器；所述原边副边线圈包括：原边线圈与副边线圈；所述副边裸片
包括：副边整流电路以及电荷泵升压电路；所述隔离场效应晶体管包括：第一场效应晶体管与第二场效应晶体管。
9.可选的，所述光耦二极管的端口为芯片的输入端，输入电流达到阈值时，所述线性稳压器使得第二mos管开启，所述rc振荡器工作，产生电信号到所述原边线圈，所述副边线圈感应出交变电流，所述交变电流经过所述副边整流电路以及电荷泵升压电路，驱动所述第一场效应晶体管与所述第二场效应晶体管导通。
10.可选的，所述光耦二极管的端口为芯片的输入端，输入电流减小到阈值时，原边电路关断，所述rc振荡器停止工作，副边电路无电压信号，所述第一场效应晶体管与所述第二场效应晶体管关断。
11.可选的，所述副边整流电路包括：二极管与反相器，所述副边整流电路的输入如端口连接到所述副边线圈的两端，并经过所述二极管产生恒定的电平；所述反相器将从副边线圈上获得的正弦波信号整形为方波信号。
12.可选的，所述电荷泵升压电路的输入端与所述副边整流电路的输出端相连接，所述恒定的电平为所述电荷泵升压电路提供电源，所述方波信号为所述电荷泵升压电路的时钟信号。
13.在本发明实施例中，在第二方面，本发明实施例提供了一种封装结构，其特征在于，用于对权利要求1-7任一所述的隔离器进行封装，所述封装结构包括四层金属层，隔离继电器原边裸片、副边裸片以及原边电感线圈封装在第一层金属上；副边电感线圈与芯片引脚处于第四层金属上；第二层金属与第三层金属包括通孔。
14.可选的，不同金属层之间的电路通过所述通孔连接，同一金属层之间的电路通过邦定线连接。
15.在第三方面，本发明实施例提供一种电池包电压检测系统，其特征在于，所述电池包电压检测系统使用如权利要求1-6任一所述的隔离继电器，所述隔离继电器采用如权利要求7-8任一所述的封装结构进行封装。
16.在第四方面，本发明实施例提供一种新能源汽车，其特征在于，包括如权利要求9所述的电池包电压检测系统。
17.本发明实施例中使用的隔离继电器中芯片原边电路采用一个低压差线性稳压器作为输入级，当超过导通阈值的电流灌入正极时，线性稳压器产生一个固定的电压作为原边电路的电源。当电压超过阈值电压后，原边的交叉耦合振荡器导通，振荡器开始振荡，电感线圈上产生交流电流。
18.交变电流会在线圈内感应出磁信号，磁信号在副边线圈上又转换成电流信号，线圈上的电流流经副边整流电路，会产生一个固定的电平。该电平可以作为整个副边电路的电源。与此同时，线圈上的振荡信号经过三级反相器之后，可以作为副边升压电路的时钟信号。升压电路产生的高压用来驱动mos管的栅极，从而mos管导通。
19.在芯片封装上，芯片原边裸片、副边裸片和变压器原边侧在封装基板的顶层，通过bonding(邦定)线连接，变压器副边侧在封装基板的底层。芯片引脚也在封装基板的底层，通过通孔和bonding线连接到顶层的芯片引脚上。
20.本发明实施例的其他可选特征和技术效果一部分在下文描述，一部分可通过阅读本文而明白。
附图说明
21.以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，所示出的元件不受附图所显示的比例限制，附图中相同或相似的附图标记表示相同或类似的元件，其中：
22.图1示出了一种可以实施本发明实施例的光耦隔离继电器的示意图；
23.图2示出了一种可以实施本发明实施例的基于磁隔离的隔离继电器芯片架构示意图；
24.图3示出了一种可以实施本发明实施例的基于磁隔离的隔离继电器电路示意图；
25.图4示出了一种可以实施本发明实施例的中副边整流电路示意图；
26.图5示出了一种可以实施本发明实施例的中副边电荷泵升压电路示意图；
27.图6示出了一种可以实施本发明实施例的封装结构电路示意图；
28.图7示出了一种可以实施本发明实施例的隔离继电器用于电池包电压检测系统的示意图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
30.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
31.在本发明实施例中，提供一种隔离继电器，所述隔离继电器采用芯片封装体上的线圈来传递能量和控制信号，利用电磁感应原理，让电信号通过原边电感线圈变成磁信号，再通过副边电感线圈将磁信号转换成电信号。由此，在一颗芯片封装的内部，实现原边副边的高压磁隔离信号传递功能。本发明实施例提供的隔离继电器中副边电路不需要额外提供电源。副边线圈上感生出的电信号，经过整流电路之后，转换成直流电平，提供给副边电路使用。
32.图1示出了一种可以实施本发明实施例的光耦隔离继电器的示意图。如图1所示的光耦隔离继电器包括发光二极管1、三极管2、三极管3、受控制单元4以及二极管5。在图1所示的实施例中当正向电压加到发光二极管1的两端之后，发光二极管1向三极管2放射光线，三极管2接收到光信号后，开始导通，使得三极管3的基极有偏置电压，三极管3导通，驱动受控单元4导通，二极管5为图1所示的光耦隔离继电器电路提供保护。
33.图2示出了一种可以实施本发明实施例的基于磁隔离的隔离继电器芯片架构示意图。如图2所示的芯片架构20包括：隔离继电器原边裸片
34.201、原边副边线圈202、隔离继电器副边裸片203以及隔离场效应晶体管204。其中，隔离继电器原边裸片201、原边副边线圈202、隔离继电器副边裸片203以及隔离场效应晶体管204封装在同一个封装体内，减小了隔离继电器电路的体积，提高了系统的集成度。原边副边线圈202通过封装打线的方式分别与隔离继电器原边裸片201以及隔离继电器副
边裸片203电连接。隔离继电器副边裸片203输出端连接到隔离场效应晶体管204上。隔离场效应晶体管204为高压隔离场效应晶体管，可以为mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)或者sicfet(硅场效应晶体管)。
35.图3示出了一种可以实施本发明实施例的基于磁隔离的隔离继电器电路示意图。如图3所示的电路图包括：光耦二极管的两个端口20a与20b、线性稳压器10、线性稳压器的两个端口10a与10b、mos管11、uvlo(under voltage lock out，欠压锁定电路)电路12、mos管13、rc振荡器14、原边线圈7a、副边线圈7b、副边整流电路15、电荷泵升压电路16、mosfet 17、mosfet 18、场效应管的两个端口19a、19b，芯片副边引脚19、20，以及反馈电阻21和22。端口20a,20b为模拟光耦二极管的两端，为芯片原边的两个输入引脚。线性稳压器10为内部提供一个较稳定的电源电压。线性稳压器的输出通过反馈电,21、22，再输入到稳压器的端口10b，稳定了输出电压。与传统的光耦继电器相比，低压差线性稳压器的正向压降具有更小的偏移和更好的温度系数。uvlo电路12，控制使能pmos管13的开启或关断，当输入电流超过一定值，线性稳压器10的输出会超过一个定值，使得pmos管13开启。rc振荡器14，产生振荡信号直接驱动原边线圈7a，当pmos管13开启时，振荡器14使能，产生电信号传动到原边线圈7a上，由于电磁感应，副边线圈7b上会感应出交变电流，经过副边整流电路15和电荷泵升压电路16，产生驱动高压，驱动mosfet 17和mosfet 18导通。同样的，当输入电流低于一定值，原边电路关断，振荡器停止工作，副边无电压信号，mosfet 17和mosfet 18关断，实现了继电器功能。
36.图3所示的电路图划分为6、7、8、9四部分，6、7、8、9这四部分分别与图2所示的实施例中的隔离继电器原边裸片201、原边副边线圈202、隔离继电器副边裸片203以及隔离场效应晶体管204一一对应。
37.图4示出了一种可以实施本发明实施例的中副边整流电路示意图。如图4所示的整流电路包括：输入端口23、24，端口25、26，二极管28、29、30、31，反相器32、33、34、35，以及输出端口36,37。输入端口23、24分别连接到电感线圈的两端(上述实施例中7b的两端)，电感线圈上的交流电压经过二极管28,29,30,31，在端口25处产生恒定的高电平，所述恒定的高电平可以给副边其他电路(例如，上述实施例中的8、9部分的电路)使用。端口26为整个电路的地端。反相器32、33、34、35可以将从线圈上获得的正弦波信号整形成方波信号，输出端口36和输出端口37输出的是两个反相的方波信号，所述的方波信号可以作为后一级电荷泵升压电路的两个时钟信号。特别地，反相器的电源电压即是来自于端口25。
38.图5示出了一种可以实施本发明实施例的中副边电荷泵升压电路示意图。如图5所示的电荷泵升压电路包括：输入端口38、输入端口39、输入端口40、输出端口41、二极管42、二极管43、二极管44、二极管45、二极管46、电容47、电容48、电容49以及电容50。其中输入端口38与上述实施中的整流电路的输出端口25相连接为电荷泵升压电路提供电源，输入端口39与输入端口40分别与上述实施例中的两个反相的方波信号的输出端口(输出端口36与输出端口37)相连接，作为升压电荷泵电路的时钟。
39.图6示出了一种可以实施本发明实施例的封装结构电路示意图。如图6所示51为原边裸片、52为副边裸片、53,54为bonding(邦定)线、55为原边电感线圈、56为副边电感线圈、57,58,59,60为芯片的引脚、55a，55b为原边线圈的两个端口、56a，56b为副边线圈的两个端口。
40.如图6所示的封装结构有四层金属，隔离继电器原边裸片51、副边裸片52和原边电感线圈55贴在框架顶层金属上；副边电感线圈56，芯片引脚57、芯片引脚58、芯片引脚59以及芯片引脚60位于封装框架的底层(第四层)金属。处于中间的第二金属层和第三金属层只有通孔，保证芯片原边侧与副边侧的物理距离，从而保证芯片有足够的隔离耐压。
41.其中，引脚57,引脚58位于继电器芯片输入侧，引脚59，60位于继电器芯片输出侧。
42.原边电路产生交变电流，通过bonding线53,bonding线54流经原边电感线圈55,副边裸片52上的线圈在56a，56b两个端口，通过via(通孔)连接到封装框架顶层，再通过bonding线连接到副边裸片52，从而完成了能量与信号的传递。副边裸片52的两个输出端口通过打线连接到封装内部裸片61与裸片62,裸片61与裸片62为两颗mosfet。栅极由副边裸片驱动，漏极通过via(通孔)连接到芯片的输入输出接口引脚59和引脚60。
43.本技术提供的实施例采用芯片封装体上的线圈来传递能量和控制信号，利用电磁感应原理，让电信号通过原边电感线圈变成磁信号，再通过副边电感线圈将磁信号转换成电信号。由此，在一颗芯片封装的内部，实现原边副边的高压磁隔离信号传递功能。而且在本技术的实施例中副边电路不需要额外提供电源。副边线圈上感生出的电信号，经过整流电路之后，转换成直流电平，提供给副边电路使用。
44.与传统的光耦隔离继电器相比，本技术实施例提供的隔离继电器在可以兼容原有光耦隔离应用的基础上，具有低传输延迟和低功耗等优点。由于硅器件的特性，本技术实施例提供的隔离继电器可以在更高的环境温度下工作。
45.而且，由于输入级是硅基的线性稳压器，比传统的光耦二极管具有更好的长期可靠性和老化特性。
46.图7示出了一种可以实施本发明实施例的隔离继电器用于电池包电压检测系统的示意图。电动汽车的工作电压较高，一般约需300v。动力型铅酸蓄电池电压多为6v或12v，锂离子电池、镍氢电池电压则更低。因此，如要达到电动汽车的工作电压，需要大量蓄电池串联。若只检测电池组的端电压，方法很简单，只需要在电池组的两端接上检测电路即可。但这种方法虽然可以得到总的工作电压，但无法判断具体单个电池的端电压，而只要有一块电池出问题，就会影响整组电池的正常工作和性能。因此需要检测每个电池单体的端电压。对于串联蓄电池组，检测每个电池单体的端电压所遇到的主要问题是参量参考点的选择，以及检测电路和被检测电池组的电池隔离问题。图7所示的电动汽车电压检测系统包括控制及处理模块701、隔离继电器组702以及电池包703。其中，隔离继电器组702包括n个隔离的继电器，电池包703包括n个电池组，所述电池组可以是一个电池单体也可以是一组电池本技术不作具体限制。图7所示实施例中的n个隔离继电器可以使用本技术实施例提供的隔离继电器既可以当做开关使用测试特定电池组的端电压。控制及处理模块控制对应的隔离继电器闭合以测试特定电池组的端电压，并对测试到的电池组的端电压进行处理。图7所示电动汽车电压检测系统可以使用在新能源汽车上。
47.本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本领域技术人员可想到，上述实施例阐明的功能模块/单元或控制器以及相关方法步骤的实现，可以用软件、硬件和软/硬件结合的方式实现。
48.除非明确指出，根据本发明实施例记载的方法、程序的动作或步骤并不必须按照特定的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行
处理也是可以的或者可能是有利的。
49.在本文中，针对本发明的多个实施例进行了描述，但为简明起见，各实施例的描述并不是详尽的，各个实施例之间相同或相似的特征或部分可能会被省略。在本文中，“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”意指适用于根据本发明的至少一个实施例或示例中，而非所有实施例。上述术语并不必然意味着指代相同的实施例或示例。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
50.已参考上述实施例具体示出并描述了本发明的示例性系统及方法，其仅为实施本系统及方法的最佳模式的示例。本领域的技术人员可以理解的是可以在实施本系统及/或方法时对这里描述的系统及方法的实施例做各种改变而不脱离界定在所附权利要求中的本发明的精神及范围。

技术特征：
1.一种隔离继电器，其特征在于，包括：原边裸片、原边副边线圈、副边裸片以及隔离场效应晶体管；所述原边副边线圈与所述原边裸片以及所述副边裸片电连接；所述副边裸片的输出端连接到所述隔离场效应晶体管。2.根据权利要求1所述的隔离继电器，其特征在于，所述原边裸片包括：光耦二极管、线性稳压器、第一mos管、第二mos管、欠压锁定电路、以及rc振荡器；所述原边副边线圈包括：原边线圈与副边线圈；所述副边裸片包括：副边整流电路以及电荷泵升压电路；所述隔离场效应晶体管包括：第一场效应晶体管与第二场效应晶体管。3.根据权利要求2所述的隔离继电器，其特征在于，所述光耦二极管的端口为芯片的输入端，输入电流达到阈值时，所述线性稳压器使得第二mos管开启，所述rc振荡器工作，产生电信号到所述原边线圈，所述副边线圈感应出交变电流，所述交变电流经过所述副边整流电路以及电荷泵升压电路，驱动所述第一场效应晶体管与所述第二场效应晶体管导通。4.根据权利要求2所述的隔离继电器，其特征在于，所述光耦二极管的端口为芯片的输入端，输入电流减小到阈值时，原边电路关断，所述rc振荡器停止工作，副边电路无电压信号，所述第一场效应晶体管与所述第二场效应晶体管关断。5.根据权利要求2所述的隔离继电器，其特征在于，所述副边整流电路包括：二极管与反相器，所述副边整流电路的输入如端口连接到所述副边线圈的两端，并经过所述二极管产生恒定的电平；所述反相器将从副边线圈上获得的正弦波信号整形为方波信号。6.根据权利要求5所述的隔离继电器，其特征在于，所述电荷泵升压电路的输入端与所述副边整流电路的输出端相连接，所述恒定的电平为所述电荷泵升压电路提供电源，所述方波信号为所述电荷泵升压电路的时钟信号。7.一种封装结构，其特征在于，用于对权利要求1-7任一所述的隔离器进行封装，所述封装结构包括四层金属层，隔离继电器原边裸片、副边裸片以及原边电感线圈封装在第一层金属上；副边电感线圈与芯片引脚处于第四层金属上；第二层金属与第三层金属包括通孔。8.根据权利要求8所述的封装结构，其特征在于，不同金属层之间的电路通过所述通孔连接，同一金属层之间的电路通过邦定线连接。9.一种电池包电压检测系统，其特征在于，所述电池包电压检测系统使用如权利要求1-6任一所述的隔离继电器，所述隔离继电器采用如权利要求7-8任一所述的封装结构进行封装。10.一种新能源汽车，其特征在于，包括如权利要求9所述的电池包电压检测系统。

技术总结
本申请公开一种隔离继电器、封装结构、电池包电压检测系统及新能源汽车，包括：原边裸片、原边副边线圈、副边裸片以及隔离场效应晶体管；所述原边副边线圈与所述原边裸片以及所述副边裸片电连接；所述副边裸片的输出端连接到所述隔离场效应晶体管。所述隔离继电器采用芯片封装体上的线圈来传递能量和控制信号，利用电磁感应原理，让电信号通过原边电感线圈变成磁信号，再通过副边电感线圈将磁信号转换成电信号。由此，在一颗芯片封装的内部，实现原边副边的高压磁隔离信号传递功能。本发明实施例提供的隔离继电器中副边电路不需要额外提供电源。副边线圈上感生出的电信号，经过整流电路之后，转换成直流电平，提供给副边电路使用。提供给副边电路使用。提供给副边电路使用。


技术研发人员：汪堃 史广达 丁万新
受保护的技术使用者：上海川土微电子有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/15