CN105049017A - 一种带自分断的固态继电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及继电器领域，具体涉及一种当固态开关的半导体功率器件出现短路失效时、能够强制分断负载输出的带自分断固态继电器。它包括逻辑控制电路、开关检测电路、固态开关电路和自分断电路，逻辑控制电路的控制方法为：逻辑控制电路接收到控制信号后控制固态开关电路输出端导通，开关检测电路关断；逻辑控制电路没有接收到控制信号，则固态开关电路输出端断开，开关检测电路导通；逻辑控制电路没有接收到控制信号，而开关检测电路关断，逻辑控制电路控制自分断电路断开。

Description

一种带自分断的固态继电器

技术领域

本发明涉及继电器领域，具体涉及一种当固态开关的半导体功率器件出现短路失效时、能够强制分断负载输出的带自分断固态继电器。

背景技术

固态继电器（SolidStateRelay,简称SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。

固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。目前，大部分固态继电器使用的输出器件为半导体功率器件，主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(SiliconControlledRectifier，简称SCR)、双向可控硅、MOS场效应管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor，简称MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。这些半导体功率器件的特点是工作时会发热，需要散热装置，并且对浪涌电压和浪涌电流的承受力较弱。

固态继电器失效的主要形式就是输出短路（即去除控制信号后，输出不能切断），这对于一些应用场合是不允许的，固态继电器输出短路失效有可能造成灾难性后果（如婴儿床加热等）。造成固态继电器输出短路失效的因素很多，如散热不佳过热损坏、机械应力、过流烧毁、过压击穿等。因此，很多应用在使用固态继电器时也会采取一些防护措施，如在输出回路串联断路器或过流保护开关，也出现了一些智能固态继电器，提供故障报警，过温保护功能等，但对于固态继电器输出短路后的切断一般由人工手动完成。

发明内容

针对现有的固态继电器仅能在输出短路时报警不能自动切断电路。固态继电器遇到故障发出报警到手动切断电路之间有时间间隔，可能会造成灾难性的后果。本发明提出了一种带自分断的固态继电器，能够检测输出端固态开关的短路失效，并自动切断负载输出和提供报警信号输出，实现高可靠应用。

本发明采用如下技术方案：

一种带自分断的固态继电器，它包括逻辑控制电路、开关检测电路、固态开关电路和自分断电路，逻辑控制电路一端分别与开关检测电路的输出端、固态开关电路的输入端和自分断电路的输入端电性连接，逻辑控制电路的第一端口接于固态继电器控制信号输入端，固态开关电路的输入端连接于逻辑控制电路的第二端口，固态开关电路的两个输出端分别连接相电压输入端和相电压输出端，固态开关电路用于根据逻辑控制电路第二端口输入的信号来对两个输出端之间的开关通道进行通断切换，固态开关电路的两个输出端与相电压输入端和相电压输出端之间分别是第一电流通道和第二电流通道，开关检测电路的两个输入端分别连接到该第一电流通道和第二电流通道上，开关检测电路的输出端接逻辑控制电路的第三端口，开关检测电路用于检测固态开关电路的开关通道的通断状态并传输给逻辑控制电路，自分断电路包括开关电路、短接开关电路和熔断器件，开关电路输出端连接短接开关电路的开关控制端，该熔断器件串接在该第一电流通道或第二电流通道上，该短接开关电路并联在熔断器件的电流流向之后与接地端，该开关电路的输入端接逻辑控制电路的第四端口，该自分断电路用于根据逻辑控制电路第四端口输入的信号来对短接开关电路的短接与否进行控制。

进一步的，逻辑控制电路的控制方法为：逻辑控制电路接收到控制信号后控制固态开关电路输出端导通，开关检测电路关断；逻辑控制电路没有接收到控制信号，则固态开关电路输出端断开，开关检测电路导通；逻辑控制电路没有接收到控制信号，而开关检测电路关断，逻辑控制电路控制自分断电路断开。

进一步的，短接开关电路包括可控开关器件，可控开关器件的控制端接开关电路的输出端，可控开关器件的第一端和第二端分别连接于熔断器件的电流流向之后与接地端。

更进一步的，可控开关器件为单向可控硅、双向可控硅或电磁继电器。

进一步的，开关电路为光电耦合器开关电路或三极管开关电路。

进一步的，自分断电路包括光电耦合器P3、电阻R4、电阻RL、熔断器F1和单向可控硅Q1，熔断器F1串接在该第二电流通道上；光电耦合器P3的输入端连接于逻辑控制电路的第四端口，光电耦合器P3的第一输出端经电阻R4接固态开关电路的第一输出端，光电耦合器P3的第二输出端接单向可控硅Q1的控制极；单向可控硅Q1的阴极接地端，单向可控硅Q1的阳极经电阻RL接相电压输出端。

进一步的，开关检测电路为光电耦合器开关电路或三极管开关电路。

更进一步的，光电耦合器开关检测电路包括光电耦合器P1、二极管D1和电阻R1，光电耦合器P1的输入端正极经二极管D1和电阻R1连接于第二电流通道，二极管D1的负极接于光电耦合器P1的输入端正极，光电耦合器P1的输入端负极接于第一电流通道，光电耦合器P1的输出端连接于逻辑控制电路的第三端口。

进一步的，固态开关电路包括光电耦合器P2、电阻R2、双向可控硅T1和电阻R3，光电耦合器P2的输入端连接于逻辑控制电路的第二端口；光电耦合器P2的第一输出端经电阻R2连接于双向可控硅T1的第一端口，光电耦合器P2的第二输出端连接于双向可控硅T1的栅极，双向可控硅T1的栅极和第二端口之间串联电阻R3，双向可控硅T1的第一端口和第二端口分别连接相电压输入端和相电压输出端。

进一步的，还包括报警电路，报警电路与逻辑控制电路连接。

本发明公开了一种带自分断的固态继电器，能够在固态继电器输出功率部件发生短路失效时，自动检测和识别这种失效，并能够自动分断固态继电器的输出，从而防止灾难性后果的发生。

附图说明

图1是本发明实施例一的原理图；

图2是本发明实施例二的原理图；

图3是本发明实施例三的原理图；

图4是本发明实施例四的原理图；

图5是本发明实施例五的原理图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参阅图1至图5所示本发明提出一种带自分断的固态继电器，它包括逻辑控制电路2、开关检测电路3、固态开关电路4和自分断电路5，逻辑控制电路2一端分别与开关检测电路3的输出端、固态开关电路4的输入端和自分断电路5的输入端电性连接，逻辑控制电路2的第一端口接于固态继电器控制信号输入端，固态开关电路4的输入端连接于逻辑控制电路2的第二端口，固态开关电路4的两个输出端分别连接相电压输入端TL和相电压输出端OUT，固态开关电路4用于根据逻辑控制电路2第二端口输入的信号来对其两个输出端之间的开关通道进行通断切换，固态开关电路4的两个输出端与相电压输入端TL和相电压输出端OUT之间分别是第一电流通道和第二电流通道，开关检测电路3的两个输入端分别连接到该第一电流通道和第二电流通道上，开关检测电路3的输出端接逻辑控制电路2的第三端口，开关检测电路3用于检测固态开关电路4的开关通道的通断状态并传输给逻辑控制电路2，自分断电路5包括开关电路、短接开关电路和熔断器件，开关电路输出端连接短接开关电路的开关控制端，该熔断器件串接在该第一电流通道或第二电流通道上，该短接开关电路并联在熔断器件的电流流向之后与接地端，该开关电路的输入端接逻辑控制电路2的第四端口，该自分断电路5用于根据逻辑控制电路第四端口输入的信号来对短接开关电路的短接与否进行控制。

自分断电路5中的短接开关电路包括可控开关器件，可控开关器件的控制端接开关电路的输出端，可控开关器件的第一端和第二端分别连接于熔断器件的电流流向之后与接地端。可控开关器件的控制端受开关电路的控制，开关电路控制可控开关器件的第一端和第二端的通断。当可控开关器件的第一端和第二端导通后，电流经熔断器件流到地线构成回路，使电路中的电流增大，导致熔断器件断开。

自分断电路5的开关电路受逻辑控制电路2控制，逻辑控制电路2控制开关电路的开通和关断。

需要说明的是，本发明中开关检测电路采用光电耦合器开关电路或三极管开关电路。本领域的技术人员可知，只要能实现对电路的开关检测的电路都可应用于本发明，不限于光电耦合器开关电路或三极管开关电路。

逻辑控制电路的控制方法为：逻辑控制电路依据控制信号控制固态开关电路输出端的通断，开关检测电路将检测到固态开关电路两个输出端之间的通断状态反馈给逻辑控制电路，逻辑控制电路结合控制信号和开关检测电路的反馈控制自分断电路的通断。

开关检测电路3用于检测固态开关电路4两个输出端之间的通断状态，逻辑控制电路2根据控制信号和开关检测电路3反馈的固态开关电路4输出端的通断状态，控制自分断电路5的通断。本发明的开关检测电路3为光电耦合器开关电路或三极管开关电路，本领域技术人员可知，还可采用其他具有相同功能的开关检测电路3。

本发明结合一具体实施例进行详细说明，参阅图1所示，为本发明优选一实施例一的原理图。该实施例包括逻辑控制电路2、开关检测电路3、固态开关电路4和自分断电路5。该实施例的固态继电器的一端连接有固态继电器控制信号输入端VCON、报警输出端FB、电源端VCC和接地GND，另一端连接有相电压输入端TL、相电压输出端OUT和接地端TN。

该实施例的逻辑控制电路2的第五端口连接于报警输出端口FB，报警输出端FB接报警电路，逻辑控制电路2通过报警输出端FB向报警电路发送报警信号，报警电路进行报警。

逻辑控制电路2分别与开关检测电路3的输出端、固态开关电路4的输入端和自分断电路5的输入端电性连接，该实施例的逻辑控制电路2的第一端口接于控制信号输入端VCON。固态开关电路4包括光电耦合器P2、电阻R2、双向可控硅T1和电阻R3，光电耦合器P2的输入端连接于逻辑控制电路2的第二端口。光电耦合器P2的第一输出端经电阻R2连接于双向可控硅T1的第一端口，光电耦合器P2的第二输出端连接于双向可控硅T1的栅极，双向可控硅T1的栅极和第二端口之间串联电阻R3，双向可控硅T1的第一端口和第二端口分别连接相电压输入端TL和相电压输出端OUT。

该实施例的开关检测电路3包括光电耦合器P1、二极管D1和电阻R1，光电耦合器P1的输入端正极经二极管D1和电阻R1连接于相电压输出端OUT，二极管D1的负极接于光电耦合器P1的输入端正极，二极管D1的正极接电阻R1。光电耦合器P1的输入端负极接于相电压输入端TL，光电耦合器P1的输出端连接于逻辑控制电路2的第三端口。

该实施例的自分断电路5包括光电耦合器P3、电阻R4、电阻RL、熔断器F1和单向可控硅Q1，熔断器F1串接在固态开关电路4的第二输出端与相电压输出端OUT之间的通道上。光电耦合器P3的输入端连接于逻辑控制电路2的第四端口，光电耦合器P3的第一输出端经电阻R4接固态开关电路4的第一输出端，光电耦合器P3的第二输出端接单向可控硅Q1的控制极，单向可控硅Q1的阴极接地端，单向可控硅Q1的阳极经电阻RL接相电压输出端OUT。

需要说明的是，该实施例中，光电耦合器P1为三极管型光电耦合器，光电耦合器P2和光电耦合器P3的受光元件均为双向触发二极管。本领域的技术人员可知，光电耦合器的种类很多，不限于上述的光电耦合器，还可用其他能实现相同功能的光电耦合器代替。

逻辑控制电路2通过接收控制信号和开关检测电路3的输出端状态信号实现对报警输出端FB、固态开关电路4和自分断电路5的逻辑功能控制。

逻辑控制电路2接收控制信号控制固态开关电路4的光电耦合器P2的通断，间接通过控制双向可控硅T1的导通和截止实现该实施例的固态继电器的正常通断功能。当逻辑控制电路2对光电耦合器P2的输入端有电流通过，使光电耦合器P2的输出端导通，则双向可控硅T1接通。该实施例固态继电器导通，使相电压输入端TL和相电压输出端OUT之间短接，负载LOAD有电流通过。

自分断电路5中有熔断器F1，熔断器F1当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路。从而起到过流保护的作用，保护电路的安全以及避免危险的发生。

固态继电器正常工作时，当控制电压输入端VCON接收到控制信号时，逻辑控制电路2触发固态开关电路4导通，从而使相电压输入端TL和相电压输出端OUT之间短接，负载LOAD上电工作。电流经相电压输入端TL流入，经熔断器F1、负载LOAD到接电端，此时因串联在回路中的熔断器F1的熔断电流额定值大于固态继电器的额定电流值，熔断器F1处于正常不熔断的工作状态，电路正常工作。当控制电压输入端VCON没有接收到控制信号时，逻辑控制电路2使固态开关电路4关断，从而使相电压输入端TL和相电压输出端OUT断开，负载LOAD停止工作。

当控制电压输入端VCON接收到控制信号，逻辑控制电路2控制固态开关电路4正常导通时，固态开关电路4的输出端的双向可控硅T1导通，相电压输入端TL和相电压输出端OUT之间短接，开关检测电路3的两个输入端的电压相同，此时开关检测电路3处于关断状态。当控制电压输入端VCON无控制信号，固态开关电路4正常关断时，固态开关电路4的输出端的双向可控硅T1断开，相电压输入端TL和相电压输出端OUT之间断开，开关检测电路3的输入端正极通过负载LOAD接地端，输入端负极接相电压输入端TL；负载为阻抗、容抗或感抗，可使开关检测电路3的输入端正极接地端，当相电压输入端TL电压处于负半周期时，即相电压输入端TL为负电压，开关检测电路3的输入端正极接地，输入端负极为负电压，此时开关检测电路3导通。当逻辑控制电路2接收到控制信号和开关检测电路3关断，则固态开关电路4正常导通，当逻辑控制电路2没有接收到控制信号，且开关检测电路3导通，此时固态开关电路4处于正常关断状态。当固态开关电路4输出端短路，即无控制信号时，而固态开关电路4的输出端仍导通，使负载处于工作状态，由于相电压输入端TL和相电压输出端OUT之间短接，开关检测电路3处于关断状态；逻辑控制电路2根据无控制信号输入而开关检测电路3处于关断状态，判断固态开关电路4输出短路。

当固态继电器发生输出端短路时，即逻辑控制电路2没有接收到控制信号，而固态开关电路4的输出端仍导通，负载LOAD继续工作，控制信号失效，无法关断固态开关电路4的输出端。这时开关检测电路3会检测到此时固态开关电路4出现短路，逻辑控制电路2根据无控制信号和开关监测电路关断得到固态开关电路4输出短路后，逻辑控制电路2经报警输出端FB输出报警信号。且逻辑控制电路2控制自分断电路5中光电耦合器P3导通，单向可控硅Q1的控制极经电阻R4接相电压输入端TL，单向可控硅Q1的阳极经电阻RL接相电压输出端OUT，单向可控硅Q1的阴极接接地端TN，当相电压处于正半周期，相电压为正电压，单向可控硅Q1的控制极和阳极均为正电压，故单向可控硅Q1导通。相电压输入端TL经熔断器F1和电阻RL与接地端TN构成回路，由于电阻RL的阻值远远小于负载LOAD阻值，此时流经熔断器F1的电流大于熔断器F1的额定熔断电流，瞬间使熔断器F1熔断，从而使相电压输入端TL和相电压输出端OUT断开，负载LOAD停止工作，实现固态继电器输出短路失效的自分断功能，从而防止灾难性后果的发生。

自分断电路5中的电阻RL起到限流作用，主要在自分断的过程中限制总的分断电流不超过系统所能承受的最大电流，防止因瞬间电流过大造成控制系统其它部件损坏。

如果固态开关电路4并未发生短路故障，但当负载LOAD的电流过大，负载LOAD电流大于熔断器F1的额定熔断值，熔断器F1也会熔断，保护电路。

参阅图2所示，为本发明实施例二的原理图，与实施例一的不同之处在于：该实施例的开关检测电路3的输入端正极接相电压输入端TL，输入端负极接固态开关电路4的第二输出端。当固态开关电路4正常关断时，固态开关电路4的输出端的双向可控硅T1断开，相电压输入端TL和相电压输出端OUT之间断开，开关检测电路3的输入端正极接相电压输入端TL，输入端负极通过负载LOAD接地端；相电压输入端TL电压处于正半周期时，即相电压输入端TL为正电压，开关检测电路3的输入端正极为正电压，输入端负极接地，此时开关检测电路3导通。该实施例也可实现固态开关电路4的输出端断开，开关检测电路3导通的功能。

参阅图3所示，为本发明实施例三的原理图，与实施例一的不同之处在于：该实施例的光电耦合器P3的第一输出端经电阻R4接固态开关电路4的第二输出端。固态开关电路4的输出端导通，相电压输入端TL与相电压输出端OUT短接，当自分断电路5的光电耦合器P3导通时，单向可控硅Q1的栅极接相电压输入端TL，实现单向可控硅Q1的导通。故电阻R4一端接光电耦合器P3的第一输出端，另一端接在第一电流通道或第二电流通道上，都可实现对单向可控硅Q1的通断控制。

参阅图4所示，为本发明实施例四的原理图，与实施例一的不同之处在于：该实施例的熔断器F1串接在固态开关电路4的第一输出端与相电压输入端TL之间的通道上。固态开关电路4输出端短路，逻辑控制电路2控制自分断电路5导通，电流从相电压输入端TL流入，流经熔断器F1、电阻RL和单向可控硅Q1到接地端，电流增大导致熔断器F1断开。

参阅图5所示，为本发明实施例五的原理图，与实施例一的不同之处在于：该实施例的熔断器F1串接在固态开关电路4的第一输出端与相电压输入端TL之间的通道上，自分断电路5的单向可控硅Q1的阳极经电阻RL接固态开关电路4的第一输出端。固态开关电路4的输出端短路，逻辑控制电路2控制自分断电路5导通，电流从相电压输入端TL流入，流经熔断器F1、电阻RL和单向可控硅Q1到接地端，电流增大导致熔断器F1断开。

实施例二至五均是相对于实施例一做局部改变，实施例二至五的局部改变可任意组合，组合后构成的实施例均可实现实施例一所述的功能。本发明仅给出了五个实施例，本领域技术人员可知，还可组合出很多实施例，均属于本发明保护的范围。

上述所有实施例中的开关检测电路3为光电耦合器开关电路，可用场效应管开关电路或三极管开关电路替代。自分断电路5中的开关电路为光电耦合器开关电路、场效应管开关电路或三极管开关电路。自分断电路5中的可控开关器件为单向可控硅、双向可控硅或电磁继电器。

该实施例以交流单相输出电路进行详细说明，但直流输出和多路输出的自分断固态继电器都在本专利的保护范围。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带自分断的固态继电器，其特征在于：它包括逻辑控制电路、开关检测电路、固态开关电路和自分断电路，所述逻辑控制电路一端分别与开关检测电路的输出端、固态开关电路的输入端和自分断电路的输入端电性连接，逻辑控制电路的第一端口接于固态继电器控制信号输入端，固态开关电路的输入端连接于逻辑控制电路的第二端口，固态开关电路的两个输出端分别连接相电压输入端和相电压输出端，固态开关电路用于根据逻辑控制电路第二端口输入的信号来对两个输出端之间的开关通道进行通断切换，固态开关电路的两个输出端与相电压输入端和相电压输出端之间分别是第一电流通道和第二电流通道，所述开关检测电路的两个输入端分别连接到该第一电流通道和第二电流通道上，开关检测电路的输出端接逻辑控制电路的第三端口，开关检测电路用于检测固态开关电路的开关通道的通断状态并传输给逻辑控制电路，所述自分断电路包括开关电路、短接开关电路和熔断器件，开关电路输出端连接短接开关电路的开关控制端，该熔断器件串接在该第一电流通道或第二电流通道上，该短接开关电路并联在熔断器件的电流流向之后与接地端，该开关电路的输入端接逻辑控制电路的第四端口，该自分断电路用于根据逻辑控制电路第四端口输入的信号来对短接开关电路的短接与否进行控制。

2.如权利要求1所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述逻辑控制电路的控制方法为：逻辑控制电路接收到控制信号后控制固态开关电路输出端导通，开关检测电路关断；逻辑控制电路没有接收到控制信号，则固态开关电路输出端断开，开关检测电路导通；逻辑控制电路没有接收到控制信号，而开关检测电路关断，逻辑控制电路控制自分断电路断开。

3.如权利要求1所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述短接开关电路包括可控开关器件，可控开关器件的控制端接开关电路的输出端，可控开关器件的第一端和第二端分别连接于熔断器件的电流流向之后与接地端。

4.如权利要求3所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述可控开关器件为单向可控硅、双向可控硅或电磁继电器。

5.如权利要求1-4任一项所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述开关电路为光电耦合器开关电路、场效应管开关电路或三极管开关电路。

6.如权利要求1或2或3所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述自分断电路包括光电耦合器P3、电阻R4、电阻RL、熔断器F1和单向可控硅Q1，所述熔断器F1串接在该第二电流通道上；所述光电耦合器P3的输入端连接于逻辑控制电路的第四端口，光电耦合器P3的第一输出端经电阻R4接固态开关电路的第一输出端，光电耦合器P3的第二输出端接单向可控硅Q1的控制极；单向可控硅Q1的阴极接地端，单向可控硅Q1的阳极经电阻RL接相电压输出端。

7.如权利要求1所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述开关检测电路为光电耦合器开关电路、场效应管开关电路或三极管开关电路。

8.如权利要求7所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述光电耦合器开关检测电路包括光电耦合器P1、二极管D1和电阻R1，所述光电耦合器P1的输入端正极经二极管D1和电阻R1连接于第二电流通道，二极管D1的负极接于光电耦合器P1的输入端正极，光电耦合器P1的输入端负极接于第一电流通道，光电耦合器P1的输出端连接于逻辑控制电路的第三端口。

9.如权利要求1所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：所述固态开关电路包括光电耦合器P2、电阻R2、双向可控硅T1和电阻R3，所述光电耦合器P2的输入端连接于逻辑控制电路的第二端口；光电耦合器P2的第一输出端经电阻R2连接于双向可控硅T1的第一端口，光电耦合器P2的第二输出端连接于双向可控硅T1的栅极，双向可控硅T1的栅极和第二端口之间串联电阻R3，双向可控硅T1的第一端口和第二端口分别连接相电压输入端和相电压输出端。

10.如权利要求1-9任一项所述的带自分断的固态继电器，其特征在于：还包括报警电路，所述报警电路与逻辑控制电路连接。