CN109217856A - 一种功率电子开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率电子开关，包括，连接在电源负极与负载R负接线端之间的第一开关电路，连接在电源正极与负载R正接线端之间的第二开关电路，通过第一开关电路、第二开关电路控制负载R接通或断开电源，并且自检测开关电路是否接通。本发明实现功率电源的通断控制，克服了传统功率电子开关中电磁继电器的重量较重、体积较大、价格较贵、对产品内电磁环境影响较大、机械式触点寿命低等弊端；同时具有自检测功能，实现了对开关状态的自检测。

Description

一种功率电子开关

技术领域

本发明涉及开关技术领域，尤其涉及一种功率电子开关。

背景技术

目前在电源的开关应用中，电磁继电器是最常用的开关器件，但对于负载电流较大的场合，电磁继电器的重量较重、体积较大、价格较贵，直接影响产品的整体体积、重量和成本，而且电磁继电器对产品内电磁环境影响较大、机械式触点寿命低，影响系统工作的稳定性和可靠性。

在部分应用场合中使用固态继电器来实现电源开关，固态继电器克服了电磁继电器重量较重、体积较大、对电磁环境影响较大、触点寿命低的缺点，但由于固态继电器没有机械触点，没有检测触点，对开关状态的检测依赖于输入电源的存在，普遍通过检测输出电压的有无来判断开关的通断状态。当没加输入电源时，无法确定开关的状态，不具备自检测功能。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种功率电子开关，在解决开关产品的小型化、低成本、寿命低的问题的同时，解决开关的自检测功能问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种功率电子开关，包括，

第一开关电路，连接在电源负极与负载R负接线端之间，在控制信号的控制下，接通或断开电源负极与负载R负接线端，并检测第一开关是否导通，输出第一开关导通检测信号；

第二开关电路；连接在电源正极与负载R正接线端之间，在控制信号的控制下，接通或断开电源正极与负载R正接线端的电连接；并检测第二开关是否导通，输出第二开关导通检测信号；

所述功率电子开关接通时，第一开关电路先于第二开关电路接通；所述功率电子开关断开时，第一开关电路后于第二开关电路断开。

进一步地，所述第一开关电路包括开关管T1，其漏极连接负载的负接线端，源极连接电源负极，用于接通或断开电源负极与负载负接线端；

第一栅极驱动器，用于在控制信号的控制下产生栅极驱动电压到开关管T1，使开关管T1导通或截止，同时输出与栅极驱动电压同源的导通检测电压到第一导通检测器；所述栅极驱动电压的正极与开关管T1的栅极连接，所述栅极驱动电压的负极与开关管T1的源极连接；所述导通检测电压输出到第一导通检测器；所述第一栅极驱动器采用独立的直流电压供电；

第一导通检测器，用于检测开关管T1是否导通；第一导通检测器将所述导通检测电压输出到开关管T1的漏极，当开关管T1导通时，导通检测电压经过开关管T1到第一栅极驱动器的栅极驱动电压负极形成通电回路，第一导通检测器输出第一开关导通检测信号。

进一步地，所述第二开关电路包括开关管T2，其漏极连接电源正极，源极连接负载的正接线端，用于接通或断开电源正极与负载的正接线端；

第二栅极驱动器，用于在控制信号的控制下产生栅极驱动电压到开关管T2，使开关管T2导通或截止，同时输出与栅极驱动电压同源的导通检测电压到第二导通检测器；所述栅极驱动电压的正极与开关管T2的栅极连接，所述栅极驱动电压的负极与开关管T2的源极连接；导通检测电压输出到第二导通检测器；所述第二栅极驱动器采用独立的直流电压供电；

第二导通检测器，用于检测开关管T2是否导通；第二导通检测器将导通检测电压输出到开关管T2的漏极，当开关管T2导通时，导通检测电压经过开关管T2、第二栅极驱动器的栅极驱动电压负极形成通电回路，第二导通检测器输出第二开关导通检测信号。

通过第一、第二栅极驱动器驱动开关管T1、T2导通，即实现了对开关管的控制，同时，也起到了强、弱电的电气隔离作用。

进一步地，还包括开关时序控制器，所述开关时序控制器输入端接收开关控制信号，第一输出端连接第一栅极驱动器；第二输出端连接第二栅极驱动器；当输入端接收到开关接通信号时，开关时序控制器按照预先设定的时序间隔，顺序从第一输出端、第二输出端输出控制信号，到第一栅极驱动器、第二栅极驱动器，控制开关管T1、开关管T2顺序导通；当输入端接收到开关断开信号时，开关时序控制器按照预先设定的时序间隔，顺序从第二输出端、第一输出端输出控制信号，到第二栅极驱动器、第一栅极驱动器，控制开关管T2、开关管T1顺序断开。

通过控制开关管T2、开关管T1的导通和断开顺序，对电路起到了保护作用。

进一步地，所述第一栅极驱动器包括ADUM5230，ADUM5230的引脚5连接开关时序控制器的第一输出端；引脚16连接开关管T1的栅极，引脚14连接开关管T1的源极；引脚15连接第一导通检测器；

所述第二栅极驱动器包括ADUM5230，ADUM5230的引脚5连接开关时序控制器的第二输出端；引脚16连接开关管T2的栅极，引脚14连接开关管T2的源极；引脚15连接第二导通检测器。

通过采用ADUM5230即起到了开关管的开关控制驱动，同时利用ADUM5230的输入端和输出端之间的电流隔离，实现了较强的电气隔离作用。

进一步地，第一导通检测器包括第一光耦，第一光耦的发光器阳极连接第一栅极驱动器的ADUM5230的引脚15，第一光耦的发光器阴极连接开关管T1的漏极，第一光耦的受光器的集电极通过电阻R1连接+5V，第一光耦的受光器的发射极接地，第一导通检测器的检测信号输出端连接第一光耦的受光器的集电极；

第二导通检测器包括第二光耦，第二光耦的发光器阳极连接第二栅极驱动器的ADUM5230的引脚15，第二光耦的发光器阴极连接开关管T1的漏极，第二光耦的受光器的集电极通过电阻R2连接+5V，第二光耦的受光器的发射极接地，第二导通检测器的检测信号输出端连接第二光耦的受光器的集电极。

通过光耦的电-光-电转换，实现了强电电路即开关管电路接通检测与弱点电路检测信号输出电路的隔离，起到用电安全保护作用。

进一步地，还包括第一防电流反灌电路，所述第一防电流反灌电路连接在第一导通检测器与开关管T1的漏极之间，防止电流反灌到第一导通检测器；

还包括第二防电流反灌电路，所述第二防电流反灌电路连接在第二导通检测器与开关管T2的漏极之间，防止电流反灌到第二导通检测器。

进一步地，所述第一防电流反灌电路包括电阻R3和二极管D3，第一光耦的发光器阴极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接开关管T1的漏极；

所述第二防电流反灌电路包括电阻R4和二极管D4，第一光耦的发光器阴极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接开关管T2的漏极。

通过设置电流反灌电路防止反灌电流对电路的损坏，本发明的防电流反灌电路元件少，电路简单实用，低成本。

进一步地，还包括第一浪涌脉冲电压保护电路，所述第一浪涌脉冲电压保护电路连接在开关管T1栅极和源极之间，用于防止浪涌脉冲电压损坏开关管T1；

还包括第二浪涌脉冲电压保护电路，所述第二浪涌脉冲电压保护电路连接在开关管T2栅极和源极之间，用于防止浪涌脉冲电压损坏开关管T2。

进一步地，第一浪涌脉冲电压保护电路包括瞬态电压抑制二极管D5，所述D5连接在开关管T1栅极和源极之间；

第二浪涌脉冲电压保护电路包括瞬态电压抑制二极管D6，所述D6连接在开关管T2栅极和源极之间。

通过设置浪涌脉冲电压保护电路对电路进行浪涌脉冲保护，防止大的浪涌电压损坏开关管。

本发明有益效果如下：

本发明实现功率电源的通断控制，克服了传统功率电子开关中电磁继电器的重量较重、体积较大、价格较贵、对产品内电磁环境影响较大、机械式触点寿命低等弊端；通过对正极供电端和负极供电端都设置开关电路，使对功率电源通断控制更加可靠，并设置相应的开关顺序，对电路起到了保护作用；同时具有自检测功能，在大电流路径和小电流路径相互隔离的情况下，实现了对开关状态的自检测。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的功率电子开关电路连接示意图；

图2为本发明实施例的第一栅极驱动器电路连接示意图；

图3为本发明实施例的第二栅极驱动器电路连接示意图；

图4为本发明实施例的第一导通检测器电路连接示意图；

图5为本发明实施例的第二导通检测器电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种功率电子开关，具体是一种带自检测功能的微小型功率电子开关，如图1所示，包括

第一开关电路，连接在电源负极与负载负接线端之间，在控制信号的控制下，接通或断开电源负极与负载负接线端，并检测第一开关是否导通，输出第一开关导通检测信号；

第二开关电路；连接在电源正极与负载正接线端之间，在控制信号的控制下，接通或断开电源正极与负载正接线端的电连接；并检测第二开关是否导通，输出第二开关导通检测信号；

在使负载接通电源时，第一开关电路先于第二开关电路接通；所述功率电子开关断开时，第一开关电路后于第二开关电路断开。

具体的，第一开关电路包括开关管T1，其漏极连接负载的负接线端，源极连接电源负极，用于接通或断开电源负极与负载负接线端；

第一栅极驱动器，用于在控制信号的控制下产生栅极驱动电压到开关管T1，使开关管T1导通或截止，同时输出与栅极驱动电压同源的导通检测电压到第一导通检测器；所述栅极驱动电压的正极与开关管T1的栅极连接，所述栅极驱动电压的负极与开关管T1的源极连接；所述导通检测电压输出到第一导通检测器；所述第一栅极驱动器采用独立的直流电压供电；

第一导通检测器，用于检测开关管T1是否导通；第一导通检测器将所述导通检测电压输出到开关管T1的漏极，当开关管T1导通时，导通检测电压经过开关管T1到第一栅极驱动器的栅极驱动电压负极形成通电回路，第一导通检测器输出第一开关导通检测信号。

具体的，第二开关电路包括开关管T2，其漏极连接电源正极，源极连接负载的正接线端，用于接通或断开电源正极与负载的正接线端；

第二栅极驱动器，用于在控制信号的控制下产生栅极驱动电压到开关管T2，使开关管T2导通或截止，同时输出与栅极驱动电压同源的导通检测电压到第二导通检测器；所述栅极驱动电压的正极与开关管T2的栅极连接，所述栅极驱动电压的负极与开关管T2的源极连接；导通检测电压输出到第二导通检测器；所述第二栅极驱动器采用独立的直流电压供电；

第二导通检测器，用于检测开关管T2是否导通；第二导通检测器将导通检测电压输出到开关管T2的漏极，当开关管T2导通时，导通检测电压经过开关管T2、第二栅极驱动器的栅极驱动电压负极形成通电回路，第二导通检测器输出第二开关导通检测信号。

通过第一、第二栅极驱动器驱动开关管T1、T2导通，即实现了对开关管的控制，同时，也起到了强、弱电的电气隔离作用。

特殊的，开关管T1、T2为MOSFET开关管IPB017N10N51f；

可选的，如图2所示，第一栅极驱动器包括ADUM5230，ADUM5230的引脚5连接驱动控制信号(开关时序控制器的第一输出端)；引脚16连接开关管T1的栅极，引脚14连接开关管T1的源极；引脚15连接第一导通检测器；

如图3所示，第二栅极驱动器包括ADUM5230，ADUM5230的引脚5连接驱动控制信号(开关时序控制器的第二输出端)；引脚16连接开关管T2的栅极，引脚14连接开关管T2的源极；引脚15连接第二导通检测器。

ADUM5230采用+5V供电，+5V的正极和接地与输出端电流隔离，即起到了开关管的开关控制驱动，又通过电流隔离，实现了较强的电气隔离作用。

可选的，如图4所示，第一导通检测器包括第一光耦，第一光耦的发光器阳极连接第一栅极驱动器的ADUM5230的引脚15，第一光耦的发光器阴极连接开关管T1的漏极，第一光耦的受光器的集电极通过电阻R1连接+5V，第一光耦的受光器的发射极接地，第一导通检测器的检测信号输出端连接第一光耦的受光器的集电极；

特殊的，还包括第一防电流反灌电路，所述第一防电流反灌电路连接在第一导通检测器与开关管T1的漏极之间，防止电流反灌到第一导通检测器；

具体的，第一防电流反灌电路包括电阻R3和二极管D3，第一光耦的发光器阴极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接开关管T1的漏极；

可选的，如图5所示，第二导通检测器包括第二光耦，第二光耦的发光器阳极连接第二栅极驱动器的ADUM5230的引脚15，第二光耦的发光器阴极连接开关管T1的漏极，第二光耦的受光器的集电极通过电阻R2连接+5V，第二光耦的受光器的发射极接地，第二导通检测器的检测信号输出端连接第二光耦的受光器的集电极。

特殊的，还包括第二防电流反灌电路，所述第二防电流反灌电路连接在第二导通检测器与开关管T2的漏极之间，防止电流反灌到第二导通检测器。

具体的，第二防电流反灌电路包括电阻R4和二极管D4，第一光耦的发光器阴极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接开关管T2的漏极。

通过使用光耦，利用光耦的电-光-电转换，实现了强电电路即开关管电路接通检测与弱点电路检测信号输出电路的隔离，起到用电安全保护作用。

通过设置电流反灌电路防止反灌电流对电路的损坏，本发明的防电流反灌电路元件少，电路简单实用，低成本。

可选的，为实现第一开关电路和第一开关电路按预定的顺序导通或断开，如图1所示，本实施例还包括开关时序控制器，所述开关时序控制器输入端接收开关控制信号，第一输出端连接第一栅极驱动器；第二输出端连接第二栅极驱动器；当输入端接收到开关接通信号时，开关时序控制器按照预先设定的时序间隔，顺序从第一输出端、第二输出端输出控制信号，到第一栅极驱动器、第二栅极驱动器，控制开关管T1、开关管T2顺序导通；当输入端接收到开关断开信号时，开关时序控制器按照预先设定的时序间隔，顺序从第二输出端、第一输出端输出控制信号，到第二栅极驱动器、第一栅极驱动器，控制开关管T2、开关管T1顺序断开。

可选的，预先设定的时序间隔为开关管T1和开关管T2的顺序导通间隔为0.5～1S；开关管T2和开关管T1的顺序断开间隔为0.5～1S。

通过控制开关管T2、开关管T1的导通和断开顺序，对电路起到了保护作用。

可选的，还包括第一浪涌脉冲电压保护电路，所述第一浪涌脉冲电压保护电路连接在开关管T1栅极和源极之间，用于防止浪涌脉冲电压损坏开关管T1；第一浪涌脉冲电压保护电路包括瞬态电压抑制二极管D5，所述D5连接在开关管T1栅极和源极之间；

还包括第二浪涌脉冲电压保护电路，所述第二浪涌脉冲电压保护电路连接在开关管T2栅极和源极之间，用于防止浪涌脉冲电压损坏开关管T2；第二浪涌脉冲电压保护电路包括瞬态电压抑制二极管D6，所述D6连接在开关管T2栅极和源极之间。

通过设置浪涌脉冲电压保护电路对电路进行浪涌脉冲保护，防止大的浪涌电压损坏开关管。

综上所述，本发明实施例提出的功率电子开关，实现功率电源的通断控制，克服了传统功率电子开关中电磁继电器的重量较重、体积较大、价格较贵、对产品内电磁环境影响较大、机械式触点寿命低等弊端；通过对正极供电端和负极供电端都设置开关电路，使对功率电源通断控制更加可靠，并设置相应的开关顺序，对电路起到了保护作用；同时具有自检测功能，在大电流路径和小电流路径相互隔离的情况下，实现了对开关状态的自检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率电子开关，其特征在于，包括，

第一开关电路，连接在电源负极与负载负接线端之间，在控制信号的控制下，接通或断开电源负极与负载负接线端，并检测第一开关是否导通，输出第一开关导通检测信号；

第二开关电路；连接在电源正极与负载正接线端之间，在控制信号的控制下，接通或断开电源正极与负载正接线端的电连接；并检测第二开关是否导通，输出第二开关导通检测信号；

所述功率电子开关接通时，第一开关电路先于第二开关电路接通；所述功率电子开关断开时，第一开关电路后于第二开关电路断开。

2.根据权利要求1所述的功率电子开关，其特征在于，所述第一开关电路包括开关管T1，其漏极连接负载的负接线端，源极连接电源负极，用于接通或断开电源负极与负载负接线端；

第一栅极驱动器，用于在控制信号的控制下产生栅极驱动电压到开关管T1，使开关管T1导通或截止，同时输出与栅极驱动电压同源的导通检测电压到第一导通检测器；所述栅极驱动电压的正极与开关管T1的栅极连接，所述栅极驱动电压的负极与开关管T1的源极连接；所述导通检测电压输出到第一导通检测器；所述第一栅极驱动器采用独立的直流电压供电；

第一导通检测器，用于检测开关管T1是否导通；第一导通检测器将所述导通检测电压输出到开关管T1的漏极，当开关管T1导通时，导通检测电压经过开关管T1到第一栅极驱动器的栅极驱动电压负极形成通电回路，第一导通检测器输出第一开关导通检测信号。

3.根据权利要求1所述的功率电子开关，其特征在于，所述第二开关电路包括开关管T2，其漏极连接电源正极，源极连接负载的正接线端，用于接通或断开电源正极与负载的正接线端；

第二栅极驱动器，用于在控制信号的控制下产生栅极驱动电压到开关管T2，使开关管T2导通或截止，同时输出与栅极驱动电压同源的导通检测电压到第二导通检测器；所述栅极驱动电压的正极与开关管T2的栅极连接，所述栅极驱动电压的负极与开关管T2的源极连接；导通检测电压输出到第二导通检测器；所述第二栅极驱动器采用独立的直流电压供电；

第二导通检测器，用于检测开关管T2是否导通；第二导通检测器将导通检测电压输出到开关管T2的漏极，当开关管T2导通时，导通检测电压经过开关管T2、第二栅极驱动器的栅极驱动电压负极形成通电回路，第二导通检测器输出第二开关导通检测信号。

4.根据权利要求1所述的功率电子开关，其特征在于，还包括开关时序控制器，所述开关时序控制器输入端接收开关控制信号，第一输出端连接第一栅极驱动器；第二输出端连接第二栅极驱动器；当输入端接收到开关接通信号时，开关时序控制器按照预先设定的时序间隔，顺序从第一输出端、第二输出端输出控制信号，到第一栅极驱动器、第二栅极驱动器，控制开关管T1、开关管T2顺序导通；当输入端接收到开关断开信号时，开关时序控制器按照预先设定的时序间隔，顺序从第二输出端、第一输出端输出控制信号，到第二栅极驱动器、第一栅极驱动器，控制开关管T2、开关管T1顺序断开。

5.根据权利要求4所述的功率电子开关，其特征在于，所述第一栅极驱动器包括ADUM5230，ADUM5230的引脚5连接开关时序控制器的第一输出端；引脚16连接开关管T1的栅极，引脚14连接开关管T1的源极；引脚15连接第一导通检测器；

所述第二栅极驱动器包括ADUM5230，ADUM5230的引脚5连接开关时序控制器的第二输出端；引脚16连接开关管T2的栅极，引脚14连接开关管T2的源极；引脚15连接第二导通检测器。

6.根据权利要求1所述的功率电子开关，其特征在于，第一导通检测器包括第一光耦，第一光耦的发光器阳极连接第一栅极驱动器的ADUM5230的引脚15，第一光耦的发光器阴极连接开关管T1的漏极，第一光耦的受光器的集电极通过电阻R1连接+5V，第一光耦的受光器的发射极接地，第一导通检测器的检测信号输出端连接第一光耦的受光器的集电极；

第二导通检测器包括第二光耦，第二光耦的发光器阳极连接第二栅极驱动器的ADUM5230的引脚15，第二光耦的发光器阴极连接开关管T1的漏极，第二光耦的受光器的集电极通过电阻R2连接+5V，第二光耦的受光器的发射极接地，第二导通检测器的检测信号输出端连接第二光耦的受光器的集电极。

7.根据权利要求6所述的功率电子开关，其特征在于，还包括第一防电流反灌电路，所述第一防电流反灌电路连接在第一导通检测器与开关管T1的漏极之间，防止电流反灌到第一导通检测器；

还包括第二防电流反灌电路，所述第二防电流反灌电路连接在第二导通检测器与开关管T2的漏极之间，防止电流反灌到第二导通检测器。

8.根据权利要求6所述的功率电子开关，其特征在于，

所述第一防电流反灌电路包括电阻R3和二极管D3，第一光耦的发光器阴极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接开关管T1的漏极；

所述第二防电流反灌电路包括电阻R4和二极管D4，第一光耦的发光器阴极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接开关管T2的漏极。

9.根据权利要求6所述的功率电子开关，其特征在于，还包括第一浪涌脉冲电压保护电路，所述第一浪涌脉冲电压保护电路连接在开关管T1栅极和源极之间，用于防止浪涌脉冲电压损坏开关管T1；

还包括第二浪涌脉冲电压保护电路，所述第二浪涌脉冲电压保护电路连接在开关管T2栅极和源极之间，用于防止浪涌脉冲电压损坏开关管T2。

10.根据权利要求9所述的功率电子开关，其特征在于，第一浪涌脉冲电压保护电路包括瞬态电压抑制二极管D5，所述D5连接在开关管T1栅极和源极之间；

第二浪涌脉冲电压保护电路包括瞬态电压抑制二极管D6，所述D6连接在开关管T2栅极和源极之间。