CN102332900A

CN102332900A - 一种固体继电器

Info

Publication number: CN102332900A
Application number: CN201110333876A
Authority: CN
Inventors: 张有润; 吴浩然; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN102332900B

Abstract

本发明公开了一种固体继电器，包括一个光伏二极管阵列和一个或两个场效应晶体管；还包括一个由光电晶体管、电阻组成的充电电路，光电晶体管的发射极接效应晶体管的栅极，集电极接在光伏二极管阵列的第一端，电阻接在场效应晶体管的源极和光伏二极管阵列的第二端之间；一个由三极管、N沟道场效应晶体管和两个电阻组成的加速泄放电路，三极管经一个电阻接场效应晶体管的栅极，集电极接在光伏二极管阵列的第二端，基极接光伏二极管阵列的第一端，N沟道场效应晶体管的漏极经一个电阻接场效应晶体管的栅极，源极与衬底接在场效应晶体管的源极，栅极接在光伏二极管阵列的第二端。本发明的继电器结构简单，在不增加接通时间的同时，提高了抗干扰能力。

Description

一种固体继电器

技术领域

本发明属于电器电子技术领域，具体涉及一种固体继电器的设计。

背景技术

固态继电器(Solid State Relays，SSR)是一种无触点电子开关，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，在其输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态)，即当控制脚之间施加电压时，固体继电器导通，而当控制脚之间的施加电压撤销则固体继电器断开，从而控制较大负载。

美国专利号4804866介绍的固体继电器关断控制电路有效的使场效应管关断时的栅源电容放电速度的到提升。其基本原理为“将一个控制装置连接到光伏二极管阵列与输出金属氧化物场效应管的栅极之间，从而使控制装置在光伏输出时处于高阻状态，在光伏输出消失时处于低阻状态，以便光伏二极管阵列产生的充电电流流向输出端金属氧化物场效应管的栅极”。专利中提到的控制装置就是加速泄放电路，采用了N沟道JFET(常闭器件)、二极管及NPN三极管、二极管、电阻组合而成。

美国专利号5151602，在常闭性器件组成的金属氧化物场效应管栅极泄放电路中，增加了阻抗原件。与专利号48404866的继电器相比较，增加了阻抗原件可以使继电器的输出信号波形上升下降沿变得平缓，有效的提高了继电器抗电器噪声的能力，但由于没做进一步处理使得接通和关断时间较长。

美国专利号5278422同样是常闭型器件组成的加速泄放电路，该泄放电路也增加了阻抗原件。但由于此阻抗的位置并不在充电回路上，所以较美国专利号5151602，该泄放电路使栅充电时间不会延长，而同时又使得输出信号的下降沿趋于缓和，提高了抗噪声的能力，但总的关断时间还是偏大。

公开号CNl728553A公开了一种固体继电器，由常开型器件组成的加速充放电电路，该加速接通电路由电容、NPN三极管和二极管组成，其对金属氧化物场效应管栅的加速充电需要一个电容借助于输出电源提供的能量来实现。该方案有效减小了接通时间，但由于电容的引入和需要借助输出电源不可避免的增加了芯片面积和布线的难度，另外对下降沿坡度的控制也略显不足，抗干扰能力较差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的固体继电器存在的上述问题，提出了一种固体继电器。

本发明的技术方案是：一种固体继电器，包括，

一个接着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；

其特征在于，还包括，

一个由光电晶体管、电阻组成的充电电路，其中光电晶体管的发射极接输出常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极接在光伏二极管阵列的第一端，所述电阻接在输出常开型金属氧化物场效应晶体管的源极和光伏二极管阵列的第二端之间；

一个由PNP三极管、N沟道耗尽型金属场效应晶体管和两个电阻组成的加速泄放电路，其中，PNP三极管经一个电阻接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极接在光伏二极管阵列的第二端，基极接光伏二极管阵列的第一端，N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管的漏极经一个电阻接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，源极与衬底接在常开型金属氧化物场效应晶体管的源极，栅极接在光伏二极管阵列的第二端。

进一步的，所述固体继电器还包括一光敏电阻，所述光敏电阻连接在所述充电电路的电阻和所述N沟道耗尽型金属场效应晶体管源极之间。

进一步的，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，其中，两个常开型金属氧化物场效应晶体管的源极相连，作为所述继电器的第三输出端子；两个漏极分别作为所述继电器的第一、第二输出端子。

进一步的，金属氧化物场效应晶体管为N沟道增强型。

本发明的有益效果：

1、本发明主要是通过对输出金属氧化物场效应晶体管栅电容进行充电放电来实现，进行栅充电时，主要由PNP三极管和N沟道耗尽型金属氧化物场效应管组成的放电电路处于高阻状态(即器件处于反偏)，而当放电电路处于低阻状态时，电荷将通过放电电路中两条通路进行泄放，从而达到了对继电器的导通及加速关断的目的。而对这两种电路实现转换的控制是通过所述光伏二极管阵列输出的改变而实现。

2、本发明引入了光电三极管，在对输出金属氧化物场效应管栅充电时，电路处于光照状态下，光电三极管处于低阻状态，故充电电路的延迟将较小。

3、本发明的充电电路和加速泄放电路较为简单，其中的三个电阻的功能不尽相同，分别起到了保证常闭型金属氧化物场效应管在充电时处于截止状态和使输出信号下降沿趋于缓和的作用，下降沿的缓和使得电路抗干扰能力较强。并且整个电路中不存在电容，不会增加芯片的面积。

附图说明

图1是本发明固体继电器实施例一的电路原理图。

图2是本发明固体继电器实施例二的电路原理图。

图3是本发明固体继电器实施例三的电路原理图。

图4是实施例一的输入信号与输出信号的时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明的固体继电器的基本电路结构包括：一个发光元件，在接收到输入电流时发出光信号；一个光伏二极管阵列，在接收到所述发光元件发出的光信号时由于光伏效应产生电流；继电器输出端连接的是一个常开型金属氧化场效应晶体管。另外还包括一个介于发光元件和输出场效应晶体管之间的控制电路，此电路用于控制对输出场效应晶体管栅的充放电。在所述发光元件接通后，光伏二极管阵列接收光照，经光伏效应有电流输出，充电电路被接通，光生电流经光电三极管和电阻对输出场效应晶体管栅进行充电；在所述发光元件关断后，光信号被取消，光伏二极管光伏输出被取消，此时加速泄放电路被接通，输出场效应晶体管栅上的电荷通过泄放电路被泄放。这里，控制电路具体包括充电电路和加速泄放电路。

实施例一：

按照本发明的固体继电器的一种体现如图1的实施例一所示。包括，一个接着继电器输入端子111和111a之间的发光元件112；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113；一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120还包括，

一个由光电晶体管114、电阻119组成的充电电路，其中光电晶体管114的发射极接输出常开型金属氧化物场效应晶体管120的栅极，集电极接在光伏二极管阵列113的第一端，电阻119接在输出常开型金属氧化物场效应晶体管120的源极和光伏二极管阵列113的第二端之间；这里，光电晶体管114的基极悬空，经光照后在集电结产生电子空穴对使晶体管导通。

一个由PNP三极管116、N沟道耗尽型金属场效应晶体管118和两个电阻115、117组成的加速泄放电路，其中，PNP三极管116经一个电阻115接常开型金属氧化物场效应晶体管120的栅极，集电极接在光伏二极管阵列113的第二端，基极接光伏二极管阵列113的第一端，N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管118的漏极经一个电阻117接常开型金属氧化物场效应晶体管120的栅极，源极与衬底接在常开型金属氧化物场效应晶体管120的源极，栅极接在光伏二极管阵列113的第二端。

光电晶体管114接于光伏二极管阵列113的第一端和常开型金属氧化物场效应晶体管120的栅极之间，其导通状态下的低阻抗保证了继电器开启时间不致过大。

PNP三极管116与N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管118共同组成了泄放电路的两条泄放通道，这两条通道在泄放电荷的过程中作用时间不同，功能也不尽相同，这两个通道的共同作用使得在常开型金属场效应晶体管120的输出信号下降沿趋缓的同时其栅电容电荷的泄放时间有所减少。

具体工作过程如下：在输入端111和111a加一个正向压降，发光二极管112处于工作状态，光伏二极管阵列113接收光照后处于光伏输出状态，光电三极管114经光照后处于导通状态，此时PNP三极管116发射结处于短路状态，PNP三极管116截止。光伏二极管阵列113产生的光生电流从光伏二极管阵列阳极流出，经光电三极管114向输出场效应晶体管120栅上充电，并经电阻119流回光伏二极管阵列113阴极。由于金属氧化物场效应晶体管118为N沟道耗尽型，此时电流流经电阻119时产生的压降将使耗尽型场效应管处于截止状态。因此PNP三极管116和N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管118都处于非导通状态，光生电流将直接对输出金属氧化物场效应晶体管栅电容进行充电。

当输入端电压被取消，发光二极管112不再处于工作状态，光伏二极管阵列113光伏输出被取消，作用相当于普通二极管的串联形式。两个光电三极管114和118截止，处于高阻状态。此时电路的功能主要是对输出金属氧化物场效应晶体管120的栅极电荷进行泄放。在泄放的初始阶段由输出金属氧化物场效应晶体管120栅极、电阻115、PNP三极管116发射结、光伏二极管阵列113、电阻119到输出金属氧化物场效应晶体管源极121a的回路将被导通，发射结的导通使得PNP三极管116导通；另外N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管118由于栅源电压不再反向偏置，故也处于导通状态。此时共有PNP三极管116和N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管118两条通道对输出金属氧化物场效应晶体管120的栅电容电荷进行泄放。随着金属氧化物场效应晶体管120的栅电容电荷的泄放，其栅源电压也将逐渐减小，到了某一时刻，由于栅源电压不再能负担流经电阻115、PNP三极管116的发射结、光伏二极管阵列到电阻119回路的电流，此回路被断开，PNP三极管116的基极电流被取消，PNP三极管处于截止状态，故此时泄放电路只剩N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管118一条泄放通道对输出金属氧化物场效应晶体管120栅电荷进行泄放，并直到输出金属氧化物场效应晶体管120栅电荷被泄放完毕，此时栅源电压小于输出金属氧化物场效应晶体管120的阈值电压。

参考图4示出了继电器输入电流与输出电流的时序图。继电器的输入端为一矩形波输入。

A图为：图1中的电路断开PNP三极管116、电阻115，并且短路光电三极管114、和电阻117后的输出金属氧化物场效应晶体管的电流波形；

B图为：图1中的电路断开PNP三极管116、电阻115，并且短路光电三极管114后的输出金属氧化物场效应晶体管的电流波形；；

C图为：图1中的电路断开电阻115后的输出金属氧化物场效应晶体管的电流波形；

D图为：图1中的电路的输出金属氧化物场效应晶体管的电流波形。

从图4中可以看出，电路的开启和关断从输入信号到输出信号都会产生一定的延迟，其中开启的延迟即栅充电时间主要是由于电阻119引起的(充电电路中光电三极管处于低阻状态可忽略)，而关断的延迟即栅电荷的泄放时间可分为两部分：1、输出金属氧化物场效应管的栅源电压从工作电压降低到开启电压V_gs(on)所用时间t_d；2、输出金属氧化物场效应晶体管的栅源电压从开启电压V_gs(on)降低到阈值电压V_th所用时间t_f。

首先出于对电路开关速度的考虑，总的关断时间t_d+t_f应尽可能小，另外为了有效的提高继电器抗电器噪声的能力，应使继电器的输出信号波形下降沿变得平缓，也就是希望t_f应较大。图4中A图的电路决定了其总关断时间较长且下降沿较陡；B图的电路是在A图的电路基础上添加了电阻117，由于此电阻的作用，泄放回路的电阻明显增大，故输出信号的延迟变大，波形下降沿明显变缓。而C图的电路，正如前所述，在关断的初始阶段包含了PNP管和N沟道耗尽型金属氧化物场效应管两条泄放的通道，泄放速度快，而后某一时刻PNP管被截止，电路仅通过N沟道耗尽型金属氧化物场效应管一条泄放的通道泄放电荷，泄放速度变慢，但此时从两条通道到一条通道的时间点不可控，所以导致t_f阶段仍是两条通道泄放，下降沿较陡峭。D图的电路正是本发明提出的电路，即图1所示的电路，在C图电路基础上引入电阻115，适当调节此电阻阻值使得PNP管被截止的时刻恰好是输出金属氧化物场效应晶体管120的栅源电压下降到开启电压V_gs(on)的时刻，这样的处理可以使得t_d尽可能的小而t_f可以相应较大，正如图4中D图的波形所示。

实施例二：

参考图2示出了另一种电路结构，此电路是在图1所示的电路基础上在电阻219所在的支路上补充一个光敏电阻222。依据前面的分析，图1所示电路中电阻119的作用是在对输出金属氧化物场效应晶体管120栅进行充电时保证N沟道耗尽型金属氧化物场效应管118处于截止状态(这决定了电阻119的最小值)，而在对输出金属氧化物场效应管120栅电荷进行泄放的初始阶段(即t_d阶段)时电阻119的存在提高了N沟道耗尽型金属氧化物场效应管118的栅源偏置，从而提高了漏源电流。图2中电路添加的光敏电阻222在接受光照时处于低阻状态，无光照时处于高阻状态，使得在对输出金属氧化物场效应晶体管220栅充电时，充电电路电阻不会过大，而在对输出金属氧化物场效应晶体管220栅电荷进行泄放的初始阶段时N沟道耗尽型金属氧化物场效应晶体管218的栅源偏置会变得更大，从而进一步提高了初始阶段的泄放电流，减小了时间t_d。

实施例三：

图3为输出金属氧化物场效应晶体管为两个时的电路应用方案。两个常开型金属氧化物场效应晶体管320、320a的源极相连，作继电器的第三输出端子；两个漏极分别作为继电器的第一、第二输出端子。这种电路结构可以用在交流环境中，每半个电流周期只有其中一个金属氧化物场效应晶体管工作，充电电路和加速泄放电路的工作原理与上述实施例一相同，不再进行说明。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种固体继电器，包括，

一个接着继电器输入端子之间的发光元件；

其特征在于，还包括，

一个由光电晶体管、电阻组成的充电电路，其中，光电晶体管的发射极接输出常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极接在光伏二极管阵列的第一端，所述电阻接在输出常开型金属氧化物场效应晶体管的源极和光伏二极管阵列的第二端之间；

2.根据权利要求1所述的固体继电器，其特征在于，还包括一光敏电阻，所述光敏电阻连接在所述充电电路的电阻和所述N沟道耗尽型金属场效应晶体管源极之间。

3.根据权利要求1或2所述的固体继电器，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，其中，两个常开型金属氧化物场效应晶体管的源极相连，作为所述继电器的第三输出端子；两个漏极分别作为所述继电器的第一、第二输出端子。

4.根据权利要求1或2所述的固体继电器，其特征在于，金属氧化物场效应晶体管为N沟道增强型。