CN102055453B

CN102055453B - 一种直流固体电子开关

Info

Publication number: CN102055453B
Application number: CN 201010623344
Authority: CN
Inventors: 荆涛; 孙向亮; 周勇军; 水冰
Original assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Current assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102055453A

Abstract

本发明涉及一种固体直流电子开关，基于P沟道绝缘栅极场效应管、栅极驱动电路、门电路、输入保护电路和电气耦合单元实现高速开关特性和较高性价比的直流固体电子开关。该系统采用P沟道绝缘栅极场效应管作为开关控制元件，输入控制信号为非隔离或隔离的开关量信号，分别通过输入保护电路和电气耦合单元进入门电路进行判优整形，生成的开关量控制信号再通过栅极驱动电路进行转换，得到控制P沟道绝缘栅极场效应管导通的栅极控制信号，从而实现高开关速度和可靠性的直流固体电子开关。本发明的硬件电路简单，可靠性高，具有高速开关特性和大电流控制能力以及较高的性价比，可广泛用于网络、通讯、信息类家电、工业自动化等领域。

Description

一种直流固体电子开关

技术领域

本发明属于工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种固体直流电子开关，主要用于工业控制领域内对直流电路的通断进行控制。

背景技术

在工业控制系统中，常需要对电路通断进行控制，其一般通过I/O开关量对继电器进行通断控制来实现。目前，国内工控领域常用的继电器包括机械式和固体电子式两种，由于各自不同的工作原理也为其应用带来了不同的限制，主要问题在于：

(1)采用机械式继电器的主要问题在于其开关频率较低，且TTL电平无法直接控制其通断，需要额外的驱动电路；此外，采用机械式继电器还会带来噪声和EMI辐射的问题。

(2)采用固体电子式继电器具有较高的开关频率，但大电流通断控制能力有限，实现具有电气隔离功能的电子开关较为复杂，价格高，且抗干扰能力较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种既满足大电流通断控制需求、又具有高速开关特性和较高性价比的新型的直流固体电子开关。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：采用P沟道绝缘栅极场效应管(P-MOSFET)作为开关动作执行元件，结合栅极驱动电路、电气耦合单元、输入保护电路和门电路实现直流固体电子开关。所述直流固体电子开关采用栅极驱动电路作为门电路和P-MOSFET的中间环节，将经由门电路生成的开关量控制信号转换为控制P-MOSFET通断的栅极控制信号，而电气耦合单元和输入保护电路作为门电路和多路输入开关量信号的中间环节，将输入的非隔离或隔离开关量信号转换为统一的门电路输入信号，该信号经门电路整形后形成栅极驱动电路的开关量输入控制信号，实现直流电子开关的功能。

所述栅极驱动电路包括电阻和NPN型三极管Q1。其中，三极管的基极通过电阻R1与控制信号VCO输入端相连，发射极通过电阻R4与地平面GND相连，集电极的一端通过电阻R3与输入端电压VIN相联，另一端通过电阻R2输出栅极控制电压VOUT；其工作原理为：当VCO为高电平时，三极管饱和导通，通过电阻R3与R4的分压，得到小于VIN的VOUT电压，当(VOUT-VIN)满足P-MOSFET的栅极导通门限电压时，P-MOSFET也导通；当VCO为低电平时，三极管截止，此时VOUT＝VIN，从而P-MOSFET的栅极电压为0伏，导通条件不满足，P-MOSFET截止，从而完成开关量信号到P-MOSFET的栅极导通控制信号的转换。

所述门电路由或非门与施密特触发器串连而成。通过对来自输入保护电路和电气耦合单元的控制开关量进行判优和整形，形成开关量控制信号。

所述电气耦合单元包括电阻和光耦。其中，电阻R5串连在开关量输入回路中，用于限制输入电流以满足光耦导通条件，电阻R6接在光耦输出端，一端下拉接地，另一端作为转换后的控制开关量信号与门电路的输入级相连，从而实现输入开关量信号与输出控制开关量信号的隔离。

所述输入保护电路包括电阻、稳压二极管、钳位二极管和电容。其中，输入开关量信号经过分压电阻R7、R8得到幅值缩小的开关量信号后，再经过与之并联的稳压二极管V3和钳位二极管V4后，将输出的开关量信号的电压幅值限制在门电路的合理输入范围内，并联在输出端与地之间的电容则可滤除开关量信号上地尖峰电压，降低输入开关量噪声对门电路的影响，从而实现非隔离式的开关量输入信号的保护与限幅功能。

根据本发明的直流固体电子开关，既可实现隔离型的开关量输入控制也可实现非隔离型的开关量输入控制，两种方式都只需要单电源供电即可实现控制功能。

本发明与现有技术相比较，具有如下特点：

1.选用P-MOSFET作为通断控制开关，具有体积小，开关速度快、电流密度大和低导通电阻的特性，且可选择型号多，可满足不同开关控制的需要。

2.选用三极管和电阻构成P-MOSFET的栅极驱动电路，具有电路结构形式简单，可靠性高的特点。

3.只需要单电源供电即可实现隔离或非隔离型的开关量控制信号输入，电路结构形式简单，成本低。

4.通过输入保护电路和门电路的组合，一方面扩展了输入开关量信号的电压范围，提供了过压和反接保护，另一方面降低了由输入噪声引起的电子开关误动作可能性。

5.选用门电路作为栅极驱动电路的前级，确保了每次上电后即使输入开关量信号不存在，该电子开关的输出端也具有固定的通断状态，避免了误触发。

本发明硬件电路简单，可靠性高，具有高速开关特性和大电流控制能力以及较高的性价比，可广泛用于网络、通讯、信息类家电、工业自动化等领域。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图

图2是本发明栅极驱动电路工作原理图

图3是本发明电气耦合单元工作原理图

图4是本发明输入保护电路工作原理图

具体实施方式

本发明采用P-MOSFET作为通断控制开关，通过设计栅极驱动电路和必要的外围电路实现大电流、高速、高可靠性的直流电子固态开关。

参见图1，本实施例中，直流电子开关由一路电气耦合单元、一路输入保护电路、或非门D1、施密特触发器D2、栅极驱动电路、P沟道绝缘栅极场效应管(P-MOSFET)V1和快恢复二极管V2组成，硬件连接方法是：电气耦合单元的输入端为CON1+和CON1-，与隔离的开关量信号输入相连，输出端与D1的输入端相连；输入保护电路的输入端为CON2，与非隔离的开关量信号输入相连，输出端与D1的输入端相连；两个开关量信号经过D1判优后再经过D2整形，得到栅极驱动电路的控制输入控制信号，经过栅极驱动电路进行变换，得到P-MOSFET V1的栅极控制信号，从而控制V1的导通和关断；V2并接在P-MOSFET V1的源极和漏极之间，用于吸收由于P-MOSFET V1开关引起的电压尖峰。该电子开关的电源供电只有一路VCC，既可实现隔离型的开关量输入控制也可实现非隔离型的开关量输入控制，简化了电路结构。开关输出端的正负极分别为VIN和VOUT；电子开关的负载特性完全取决于P-MOSFET V1的特性。

如图2所示的栅极驱动电路，本发明的实施例采用三极管Q1和电阻R1、R2、R3、R4组成栅极驱动电路，其中Q1为NPN型三极管，其工作状态为饱和导通或截止。R1的作用为限制Q1基极电流，其一端与输入控制信号VCO端相连；R3的一端与电子开关输出正端VIN相连，另一端与Q1的集电极和R2相连，R2为输出限流电阻，其另一端为栅极输出控制电压VOUT；R3与R4构成分压电阻，当Q1导通时，VOUT＝VIN×R4/(R3+R4)，当Q1截止时，VOUT＝VIN，从而完成输入电平控制信号到栅极驱动控制信号的转换，R3与R4的取值与图1中P-MOSFETV1的栅极导通电压门限相关。

如图3所示的电气耦合单元，本发明的实例采用电阻R5、R6和光耦Q2组成电气耦合单元，其中R5作为限流电阻串联在开关量输入信号回路中，CON+和CON-分别对应开关量输入信号的正负端，光耦Q2的输出端集电极直接与逻辑电源VCC相连，发射极与电阻R6和耦合后的信号量输出VO相连，电阻R6的另一端与地平面相连，R6起下拉作用，保证输出的开关量信号的低电平为0伏，高电平为(VCC-0.6)伏。

如图4所示的输入保护电路，本发明的实施例采用电阻R7、R8、5.1V稳压二极管V3、肖特基二极管V4和电容C1组成输入保护电路，其中R7、R8组成输入分压电路，将开关量输入信号的电平限制在0～VI×R2/(R1+R2)伏之间，而并联在R8两端的V3和V4则将该电压进一步限制在-0.3～5伏以内，为后级门电路的输入提供了保护，电容C1选取0.1微法，用于吸收高频噪声信号。

Claims

1.一种直流固体电子开关，其特征在于：电子开关由电气耦合单元、输入保护电路、门电路、栅极驱动电路、P沟道绝缘栅极场效应管V1和快恢复二极管V2组成，其中P沟道绝缘栅极场效应管V1为开关执行元件；电气耦合单元和输入保护电路作为多路输入开关量信号和门电路的中间环节，将输入的非隔离或隔离开关量信号转换为统一的门电路输入信号，所述输入保护电路由电阻R7、R8、稳压二极管V3、钳位二极管V4和电容C1组成，输入开关量信号经过分压电阻R7、R8得到幅值缩小的开关量信号，再经过与R8并联的稳压二极管V3和钳位二极管V4，将输出的开关量信号的电压幅值限制在门电路的输入范围内，并联在输出端与地之间的电容C1滤除开关量信号尖峰电压，降低输入开关量噪声对门电路的影响，从而实现非隔离式的开关量输入信号的保护与限幅功能；所述门电路由或非门D1与施密特触发器D2串连而成，对来自输入保护电路和电气耦合单元的控制开关量进行判优和整形，形成开关量控制信号；所述栅极驱动电路作为门电路和P沟道绝缘栅极场效应管V1的中间环节，将门电路生成的开关量控制信号转换为控制P沟道绝缘栅极场效应管V1通断的栅极控制信号，所述快恢复二极管V2并联在P沟道绝缘栅极场效应管V1的源极和漏极之间，用于吸收V1的开关引起的电压尖峰。

2.根据权利要求1所述的一种直流固体电子开关，其特征在于：所述栅极驱动电路由三极管Q1和电阻R1、R2、R3、R4构成，其中Q1为NPN型三极管，三极管Q1的基极通过电阻R1与控制信号VCO输入端相连，发射极通过电阻R4与地平面GND相连，集电极的一端通过电阻R3与输入端电压VIN相联，另一端通过电阻R2输出栅极控制电压VOUT；当控制信号VCO为高电平时，三极管Q1饱和导通，通过电阻R3与R4的分压，得到小于VIN的VOUT电压，当VOUT-VIN满足P沟道绝缘栅极场效应管V1的栅极导通门限电压时，V1导通；当VCO为低电平时，三极管Q1截止，此时VOUT＝VIN，V1截止；从而完成开关量信号到P沟道绝缘栅极场效应管V1栅极导通控制信号的转换。

3.根据权利要求1所述的一种直流固体电子开关，其特征在于：所述电气耦合单元由光耦Q2和电阻R5、R6组成，其中，电阻R5串连在开关量输入回路中，用于限制输入电流以满足光耦导通条件，电阻R6一端接在光耦Q2输出端，并与转换后的控制开关量信号及门电路的输入级相连，另一端下拉接地，实现输入开关量信号与输出控制开关量信号的隔离。

4.根据权利要求1所述的一种直流固体电子开关，其特征在于：所述直流固体电子开关设置一路电源供电，实现隔离式或非隔离式的开关量输入信号控制。