CN100521537C - 高速开关常开型固体继电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速开关常开型固体继电器。它含有一个发光元件，一个接受光信号后产生光生伏特效应的光伏二极管阵列，一个响应光伏输出的场效应晶体管。还含有一个NPN三极管和一个PNP三极管，它们的基极、发射极相并联后被连接于光伏二极管阵列和输出场效应晶体管栅极之间；NPN三极管的基极、发射极与光伏二极管阵列、场效应晶体管栅极、源极构成串联回路。有一个二极管插入于NPN三极管的集电极与场效应晶体管的漏极之间，其阴极与NPN三极管的集电极和一个电容相连接，电容、NPN三极管和二极管组成对场效应晶体管栅充电电路。本发明增设的场效应晶体管栅充放电电路，实现了对继电器的加速接通和加速关断。

Description

高速开关常开型固体继电器

技术领域

本发明涉及到一种固体继电器。

背景技术

如美国专利号4804866介绍的固体继电器(solid state relays英文缩写SSR)快速关断电路，“将一个控制装置连接到光伏二极管阵列(photovoltaicdiode array英文缩写PVDA)与输出金属氧化物场效应晶体管(power metal oxidesemiconductor field effect transistor英文缩写MOSFET)的栅极之间，以便在出现光伏输出时处于高阻抗状态，在光伏输出消失时处于低阻抗状态，使充电电流从光伏二极管阵列流向输出金属氧化物场效应晶体管的栅极”。专利中所述控制装置即为输出金属氧化物场效应晶体管栅电荷的加速泄放电路，采用了N沟JFET(常闭器件)、二极管及NPN三极管、电阻、二极管等多种组合。

美国专利号5151602，在由常闭型器件组成的对输出金属氧化物场效应晶体管栅加速放电电路中，增设了阻抗元件。与专利号为4804866电路相比较，阻抗元件设置后，这类继电器的前后沿变缓，接通和关断时间略长，但提高了继电器抗电气噪声的能力。

又如美国专利号5278422，同样是常闭型器件组成的加速泄放电路，该加速泄放电路与输出金属氧化物场效应晶体管栅极间也插入了一个阻抗元件，但是改变了插入的位置，较5151602号专利，插入后的阻抗元件对栅充电时间无任何影响。该电路同时解决了继电器在关断时输出信号下降沿梯度趋缓、保证继电器接通时间不会因此而加长两个问题。这些电路，不断地改善着光MOS固体继电器的开关特性。

上述专利实现了继电器关断时间降低，但接通时间仍为毫秒级，对于高速开关用继电器，显然存在差距。

当然，作为广为应用的功率场效应器件自身具有高速开关性能。生产厂商推荐的金属氧化物场效应晶体管应用电路，当合理配置栅驱动与栅泄放电路时，金属氧化物场效应晶体管开关时间为μs以至ns量级，通常采用增加辅助电源、加大栅充电电流以降低金属氧化物场效应晶体管的开启时间；通过插入阻抗元件在金属氧化物场效应晶体管需要放电时使金属氧化物场效应晶体管的栅极和源极间泄放电阻减小，以加速关断。

采用光伏驱动、金属氧化物场效应晶体管输出的固体继电器专用于加速接通的电路研究相对较少。其原因在于：一般的这类固体继电器要求加速电路应简单且不应增设辅助电源。1991年AT&T公司微电子应用手册发表了题为《Build Your Own Solid-State Relay Using the LH1262 DualPhotovoltaic MOSFET Driver》一文(文中MOSFET为金属氧化物场效应晶体管)。文中介绍了采用备用电源用于快速接通，电路由一个光伏驱动器、并联在该通道的电容器和一个射极跟随器组成。该电路的缺点是其中备用电源占用了LH1262光伏驱动器中的一个通道，由光伏二极管阵列提供的能量也不适用于快速度的接通和关断场合，文章给出的最大开关频率为533Hz。

1997年第47届美国继电器年会AT&T公司的贝尔实验室Craig BZiemer等人发表了《Discrete Solid-State Relays for Power and MotionControl Applications》一文，文章介绍了一种采用双光伏输出具有加速接通和关断的固体继电器电路，其中加速接通电路采用由电容、高压NPN三极管、二极管组成的电路。该电路由继电器的输出电源提供能量实现对电容充电。充电电容再对金属氧化物场效应晶体管栅充电，电路中采用了由两个LED分别控制两个光伏驱动器，该两个光伏驱动器分别负责对金属氧化物场效应晶体管的栅充电和放电。该电路同样多占用了一个通道的光伏驱动器，同时文章所提供的输入电路不能保证光伏驱动器的两个发光元件中，当一个发光元件导通，另一个发光元件处于非导通状态，反之亦然。这就破坏了固体继电器正常的工作状态。改进其输入电路可以弥补其不足，结果会使该固体继电器的外围电路变得复杂。文章给出了这种结构组成的固体继电器允许开关重复频率为100KHz。

文章最后介绍了AT&T公司的一种光耦合金属氧化物场效应晶体管驱动器ATT1800，没有介绍该电路细节。ATT1800与所介绍的电容增压技术结合，可以实现这类固体继电器高速接通和关断，经查目前没有ATT1800产品投入市场。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速开关常开型固体继电器，以解决在采用单通道的光伏二极管阵列驱动、金属氧化物场效应晶体管输出的固体继电器结构形式下，借助于输出电源提供的能量实现对金属氧化物场效应晶体管栅加速充电；在光伏输出消失后通过内设器件的阻抗变化，实施对金属氧化物场效应晶体管栅加速放电的高速接通和高速关断控制等问题。

本发明所述的一种高速开关常开型固体继电器，它包括：

一个接在继电器输入端子之间的发光元件；

一个耦合发光元件光信号时，产生光伏输出的光伏二极管阵列；

一个或两个接在继电器输出端子之间的常开型金属氧化物场效应晶体管；

一个由充电电容、NPN三极管和二极管组成的加速接通电路，其中NPN三极管的发射极接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极通过一个二极管与继电器的第一输出端子连接，基极与光伏二极管阵列的第一端连接，所述充电电容接在所述二极管的负极与继电器第二输出端子之间；

一个由PNP晶体三极管组成的加速关断电路，其中PNP晶体三极管的发射极接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极接光伏二极管阵列的第二端和继电器第二输出端子，基极接光伏二极管阵列的第一端。

如上所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于：在输出常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极和源极之间连接一个稳压齐纳二极管。

如上所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于：接在继电器输出端子之间的常开型金属氧化物场效应晶体管为两个，它们的源极相连后形成继电器第三个输出端子，漏极分别构成第一、二输出端子，所述第一、二输出端子与所述充电电容的充电端分别通过二极管连接。

如上所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于：金属氧化物场效应晶体管为N道沟增强型。

本发明与传统的固体继电器相比，具有如下优点和积极效果：

1、本发明是对输出金属氧化物场效应晶体管栅充电电路和栅放电(即所述阻抗变换)电路，这两个装置设置了两个不同导电类型的三极管，当一个器件处于导通状态时，另外一个器件被其反偏呈高阻状态，反之亦然，实现对继电器的加速接通加速关断。而对这两装置实施控制的是所述光伏二极管阵列输出的改变。

2、本发明是加速接通和加速关断装置共用一个NPN三极管的EB结，而且该NPN三极管和EB结对于光伏二极管阵列的输出损耗小。即当有光伏输出时，通过该EB结，需要而且只要求0.6V(NPN三极管BE结压降)，光伏二极管阵列输出就被加于金属氧化物场效应晶体管栅极。这样合理设置光伏二极管的数量，可以保证金属氧化物场效应晶体管的栅驱动。

3、和Craig B Ziemer等人介绍的双光伏驱动器相比较，本发明需要的输入控制电路简单，只需要提供规定的接通电流(一般5~20mA)和关断电压(一般小于1V)就能保证继电器正常工作。本发明所述的固体继电器允许开关重复频率约为20KHz。

附图说明

图1是本发明所述高速开关常开型固体继电器的电路原理图。

图2是本发明所述高速开关常开型固体继电器的另一种电路原理图。

图3是本发明所述高速开关常开型固体继电器的再一种电路原理图。

具体实施方式

本发明以附图所示的电路图，体现出高速开关常开型固体继电器的电路结构。它包括：一个发光元件，在接收到输入电流时发出一个光信号；一个光伏二极管阵列，在接收到来自所述发光元件光信号时产生光伏输出；一个连接到继电器输出端的常开型金属氧化物场效应晶体管。本发明还包括一套插入于所述光伏二极管阵列和输出金属氧化物场效应晶体管之间的加速接通和加速关断电路。在所述光伏二极管阵列有光伏输出时，该光伏输出通过加速接通电路，光生电压被耦合、光生电流被放大后施加于输出金属氧化物场效应晶体管栅极和源极上。在光伏输出被取消时，通过加速关断电路，输出金属氧化物场效应晶体管栅电荷被泄放。

所述的加速接通电路由一个电容、一个NPN三极管和一个二极管组成。电容的一端与所述金属氧化物场效应晶体管源极、光伏二极管阵列负极相接；电容的另一端、NPN三极管的集电极和二极管阴极相连接；二极管的阳极与输出金属氧化物场效应晶体管漏极相连接。在继电器输入不加激励的输出上电时和继电器处于关断状态时，电容通过所述二极管被输出电源充电。

NPN三极管的基极、发射极，金属氧化物场效应晶体管栅极、源极与光伏二极管阵列构成串联回路。当光伏二极管阵列有光伏输出时，NPN三极管的基极和发射极处于正向偏置，此时光生电压被耦合、光生电流被放大后施加于常开型输出金属氧化物场效应晶体管的栅极并向其充电，充电的能量由上述已充电的电容提供。

所述的加速关断电路是一个连接到所述的输出金属氧化物场效应晶体管的栅极和源极上的PNP晶体三极管，输出驱动金属氧化物场效应晶体管栅极电荷通过该PNP三极管加速放电。其基极偏置由处于反向的NPN三极管的EB结提供。

电路设置了NPN、PNP两种不同导电类型的三极管，并使它们的基极和发射极并联连接。实现一个器件导通，则另一个器件处于高阻的截止状态。既在所述光伏输出施加到所述NPN三极管并使该NPN三极管导通时，所述PNP三极管处于高阻截止状态，保证对金属氧化物场效应晶体管加速充电；去掉光伏输出，所述PNP三极管因偏置的变化而处于低阻状态，而所述NPN三极管处于高阻的截止状态，保证对金属氧化物场效应晶体管栅极放电。

插入连接于输出金属氧化物场效应晶体管栅极和源极之间的一个齐纳二极管。

按照本发明，在该固体继电器中，将一个光伏二极管阵列与一个发光元件耦合，发光元件接收到输入电流时，会产生光信号，光伏二极管阵列接收到光信号后产生光伏输出。

将一个阻抗变换装置连接到输出金属氧化物场效应晶体管的栅极上，通过该装置将一个金属氧化物场效应晶体管与光伏二极管阵列相串联，以便在出现光伏输出时控制装置处于高阻抗状态，在光伏输出消失时处于低阻抗状态。

插入由输出金属氧化物场效应晶体管漏极引入的对该金属氧化物场效应晶体管栅充电装置，以便在该输出金属氧化物场效应晶体管漏极处于高电位时，通过该装置所述电容被充电，该装置中的NPN三极管被插入于光伏二极管阵列与输出金属氧化物场效应晶体管栅极之间，使当光伏二极管阵列接受光信号形成输出、光生电压被NPN三极管的基极和发射极耦合到金属氧化物场效应晶体管的栅极。光生电流通过NPN管的放大(由μA放大到mA级)作用向金属氧化物场效应晶体管栅极充电；当光伏二极管阵列电压消失时，该NPN三极管的EB结处于反向偏压，进而保证了阻抗变换装置(PNP三极管)处于低阻状态，输出金属氧化物场效应晶体管栅电荷被加速放电，继电器输出为高阻态。随着输出金属氧化物场效应晶体管漏极电压上升，电容被输出电源充电。为下一步对输出金属氧化物场效应晶体管栅电压驱动贮存能量。

优先体现的本发明方案详细说明如下：

参考图1，示出了按照本发明的固体继电器的一种体现，其中一个发光元件112，当发光元件被连接到固体继电器的输入端子111和111A时，一个光伏二极管阵列113与发光二极管112光耦合。确定串联在光伏二极管阵列113中的二极管数量，使得该阵列产生一个高于输出金属氧化物场效应晶体管115的门限电压，金属氧化物场效应晶体管115的栅极G和源极S通过两个基极、发射极相并联的NPN三极管118、PNP三极管117与光伏二极管阵列113相串联。该输出的金属氧化物场效应晶体管115为N沟道增强型，它的漏极D和源极S形成固体继电器的一对输出端子116和116A。

NPN三极管118的集电极与二极管119的阴极、电容120的一端连接于一点，二极管119的阳极与输出端子116相接。插入于金属氧化物场效应晶体管115栅极和源极之间的保护二极管114的阳极、PNP三极管117的集电极、电容120的另一端、光伏二极管阵列与输出端子116A相接。

图1中固体继电器的动作为：当输入电流在继电器的输入端子111和111A之间流过时，发光二极管112产生一个光信号，光伏二极管阵列113接收到发光二极管的光信号产生光伏输出。该光伏电压通过NPN三极管118的基极、发射极，电流通过电容120提供的能量和NPN三极管118的放大施加于金属氧化物场效应晶体管115的栅极G和源极S上，金属氧化物场效应晶体管栅极电容被充电，金属氧化物场效应晶体管导通，输出端子116和116A由高阻转变为低阻抗状态。与此同时导通的NPN三极管118使PNP三极管117的EB结反偏，PNP三极管117处于高阻的截止状态。

这里NPN三极管118的作用是对光生电流的放大作用和通过其EB结对光伏电压的耦合作用。正向导通状态的NPN三极管118的EB结仅降低了0.6V的电压降，不影响继电器接通，而经其放大后向输出金属氧化物场效应晶体管栅充电的电流大大提高了固体继电器的接通速度。

当施加在继电器的输入端子111和111A的输入电流被中断时，光伏二极管阵列113不产生光伏输出，使输出金属氧化物场效应晶体管115栅电位高于光伏二极管阵列113，PNP三极管117导通，输出金属氧化物场效应晶体管115栅电容上的积累电荷通过低阻状态PNP三极管117泄放，输出端子116和116A由低阻转变为高阻抗状态。此时NPN三极管118处于高阻的截止状态，随着输出驱动金属氧化物场效应晶体管115漏电压的提高，电容120通过输出端子116、二极管119被输出电源充电。

在输出接通和关断变化过程中，二极管119和电容120保证了NPN三极管118集电极的偏置。

图2示出本发明的又一种实施例。在图2所示的电路中增加了输出器件金属氧化物场效应晶体管215A及驱动金属氧化物场效应晶体管215A漏极的一个输出端子216B，金属氧化物场效应晶体管215A与金属氧化物场效应晶体管215组合，通过输出端子216、216B实现交流输出。相应的增加了插入于金属氧化物场效应晶体管215A漏极与NPN三极管218集电极间的二极管219A，它与二极管219组合，共同对电容220充电。其动作原理略。电路中保留了输出端子216A，当216和216B两端并联在一起与216A组合输出时、或当216与216B每一端单独与216A组合输出时，继电器为直流输出。当从216和216B输出时，固体继电器可为交流和(或)直流输出。

虽然本发明的叙述应参考图纸中所示的发明的优先体现，但其意图并不是要将本发明局限于这些体现当中，而是要在所附的权利要求的范围内，包括所有的修正、等效的方案。诸如图3中有或无电阻322的体现。

Claims (4)

1、一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于它包括：

一个接在继电器输入端子之间的发光元件；

一个耦合发光元件光信号时，产生光伏输出的光伏二极管阵列；

一个或两个接在继电器输出端子之间的常开型金属氧化物场效应晶体管；

一个由充电电容、NPN三极管和二极管组成的加速接通电路，其中NPN三极管的发射极接常开型驱动金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极通过一个二极管与继电器的第一输出端子连接，基极与光伏二极管阵列的第一端连接，所述充电电容接在所述二极管的负极与继电器第二输出端子之间；

一个由PNP晶体三极管和NPN三极管的发射级和基极组成的加速关断电路，其中PNP晶体三极管的发射极接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极接光伏二极管阵列的第二端和继电器第二输出端子，基极接光伏二极管阵列的第一端。

2、如权利要求1所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于：在输出常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极和源极之间连接一个稳压齐纳二极管。

3、如权利要求1或2所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于：接在继电器输出端子之间的常开型金属氧化物场效应晶体管为两个，它们的源极相连后形成继电器第三个输出端子，漏极分别构成第一、二输出端子，所述第一、二输出端子与所述充电电容的充电端分别通过二极管连接。

4、如权利要求1所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于：金属氧化物场效应晶体管为N道沟增强型。

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