CN110518900A - 一种超大电流电子开关电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大电流电子开关电路，所述电子开关电路包括：M个基本电路单元、隔离电源、信号隔离电路和驱动控制电路；基本电路单元包括：第一MOSFET管、第二MOSFET管、第一下拉电阻、第二下拉电阻、第一栅极驱动电阻和第二栅极驱动电阻；本发明中的电路结构可保证测试系统电流高达1000A以上且进行无障碍快速的开通和关断；该电子开关能有效替代常规的接触器或继电器，有效的解决接触器或继电器体积大、动作寿命有限、损耗大、驱动电路功率大，触点压降大以及噪声等问题。该电路结构实现方式简单，电子开关启动和关断快速可靠，电路损耗低，电路寿命长，同时具有较好的电磁兼容性效果。

Description

一种超大电流电子开关电路
技术领域
本发明涉及电子开关领域，具体地，涉及一种应用于热离子发电元件之伏安特性测试系统的超大电流电子开关。
背景技术
在测试系统中输出大电流电路的开关应用上，主流的方式都是采用接触器或继电器进行开通和关断，当接触器线圈通电后，线圈电流产生磁场，产生电磁吸力吸引铁芯，带动接触器内部触点吸合或断开，从而实现对电路电流的开关。随着电路电流的不断增大，由于接触器的结构原因，接触器的尺寸越来越大，同时，控制接触器线圈的启动电流也会逐渐增加，因此，接触器线圈驱动功率大、开关时的噪声以及电磁干扰，接触器的动作寿命以及接触器触点压降大导致的发热和损耗等问题一直是实际应用中需要考虑和解决的关键点和难点。
发明内容
本发明提供了一种应用于热离子发电元件之伏安特性测试系统的超大电流电子开关电路结构。此电路结构可保证测试系统电流高达1000A以上且进行无障碍快速的开通和关断。该电子开关能有效替代常规的接触器或继电器，有效的解决接触器或继电器体积大、动作寿命有限、损耗大、驱动电路功率大，触点压降大以及噪声等问题。该电路结构实现方式简单，电子开关启动和关断快速可靠，电路损耗低，电路寿命长，同时具有较好的电磁兼容性效果。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种超大电流电子开关电路，所述电子开关电路包括：
M个基本电路单元、隔离电源、信号隔离电路和驱动控制电路，M为大于1的整数；
基本电路单元包括：第一MOSFET管、第二MOSFET管、第一下拉电阻、第二下拉电阻、第一栅极驱动电阻和第二栅极驱动电阻；第一MOSFET管的源极与第二MOSFET管的源极连接并接地；第一MOSFET管的栅极与第一下拉电阻的一端和第一栅极驱动电阻的一端均连接；第二MOSFET管的栅极与第二下拉电阻的一端和第二栅极驱动电阻的一端均连接；第一下拉电阻的另一端与第二下拉电阻的另一端连接并接地；第一栅极驱动电阻的另一端和第二栅极驱动电阻的另一端分别与驱动控制电路的输出端连接；其中，第一基本电路单元中的第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第一基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电流电路中的B点连接，第二基本电路单元中第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第二基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电路中的B点连接，使第一基本电路单元和第二基本电路单元中背靠背MOSFET管形成并联的电路连接模式，同理，第三基本电路单元中第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第三基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电路中的B点连接，依次类推，第M基本电路单元中第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第M基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电路中的B点连接，预设电流电路中的电流从A点向B点传输；隔离电源用于为信号隔离电路和驱动控制电路供电，信号隔离电路携带控制信号，信号隔离电路与驱动控制电路连接。
优选的，M个基本电路单元并联在驱动控制电路的输出端。
优选的，隔离电源将电子开关电路内部电源与外部电源相分离，将隔离电源输出地电位作为整个电子开关电路的参考地，同时隔离电源的输出电压作为驱动控制电路的输入电压，为基本电路单元提供栅极驱动信号。
优选的，当第一MOSFET管的栅极电平为高电平时，且第二MOSFET管的栅极电平为高电平时，基本电路单元为双向导通状态；当第一MOSFET管的栅极电平为低电平时，且第二MOSFET管的栅极电平为低电平时，基本电路单元为双向关断状态。
优选的，第一MOSFET管和第二MOSFET管均为N沟道MOSFET管，当第一MOSFET管和第二MOSFET管导通时，电路电流从A点沿第一MOSFET管的漏极、第一MOSFET管的源极、第二MOSFET管的源极、第二MOSFET管的漏极的顺序流至B点。
优选的，信号隔离电路将外部控制信号与电子开关电路内部控制信号相隔离，采用光耦隔离或磁耦隔离。
优选的，驱动控制电路将同一个控制信号转换为两个同步信号分别控制每个基本电路单元中的第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极，对每个基本电路单元中第一MOSFET管和第二MOSFET管进行同时开通或关断，以实现整个电子开关电路的双向开通或者双向关断。
优选的，所述电子开关电路还包括吸收电路，吸收电路的一端与预设电流电路中的A点连接，吸收电路的另一端与预设电流电路中的B点连接。
优选的，吸收电路用于对基本电路单元开关过程中的浪涌电压进行吸收。
优选的，将第一MOSFET管和第二MOSFET管表贴于电路板，电路板采用铝基板材质，将电路板紧贴于铝制散热器上保证整个电路板的可靠散热。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中电路结构实现方式简单，电路电流可根据实际要求增加背靠背MOSFET主电路并联通路来提升电路电流，电流可高达1000A以上。同时，电子开关启动和关断快速可靠，电路损耗低，电路寿命长，同时具有较好的电磁兼容性效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本发明中超大电流电子开关电路的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1，本发明技术方案是：主电路采用背靠背的N沟道MOSFET，每一组背靠背的N沟道MOSFET构成一个基本电路单元，通过选择MOS1、MOS2的Vd、Id和Rds(on).max可以确定单个基本电路单元的导电能力，再根据整个电路需要的导电能力将基本电路单元进行并联，从而实现导通大电流的目的。
隔离电源将电子开关内部电源与外部电源相分离，将隔离电源输出地电位作为整个电子开关电路的参考地，同时隔离电源的输出电压作为驱动控制电路的输入电压，为背靠背MOSFET提供栅极驱动信号。
所有基本电路单元的驱动电平都是同一个驱动控制电路输出，只要保证MOSFET栅极驱动高低电平的可靠变换，就能够有效的保证各个基本电路单元中MOS1、MOS2的可靠开通和关断。如下表一所示：
表一背靠背MOSFET主电路与MOSFET栅极驱动关系表
从而实现对整个回路电流的有效开通和关断，以达到开关的目的。
其中，在本申请实施例中，本发明中的电子开关包括：包含MOSFET组成的背靠背MOSFET主电路；包含DC转DC或者AC转DC的隔离电源；包含控制信号的信号隔离电路；包含为背靠背MOSFET提供栅极控制电压的驱动控制电路；包含连接于背靠背MOSFET漏极的吸收电路。
其中，在本申请实施例中，，MOS1、MOS2均为N沟道MOSFET，当MOSFET导通时，电路电流从A点通过MOS1的D极到S极、MOS2的S极到D极再到B点，为整个电流的主通路，决定电路的电流负荷能力；
其中，在本申请实施例中，隔离电源将外部电源与电子开关内部供电相隔离，为信号隔离电路以及驱动控制电路提供供电电压，形成相对的电路参考零点，为MOSFET提供可靠的栅极控制信号；
其中，在本申请实施例中，将外部控制信号与电子开关内部控制信号相隔离，可采用光耦隔离或磁耦隔离，以保证整个电子开关内部参考零点的一致性。
其中，在本申请实施例中，驱动控制电路将同一个控制信号转换为两个同步信号分别控制背靠背的MOSFET的栅极，对MOSFET进行同时开通或关断，以实现整个电子开关的双向开通或者双向关断。
其中，在本申请实施例中，吸收电路用于对背靠背MOSFET主电路开关过程中的浪涌电压进行吸收，确保电路可靠性。
其中，在背靠背MOSFET主电路中，Rgs1、Rgs2为MOSFET栅极到源极的下拉电阻，一般取值20K左右，可预防MOSFET出现误导通；Rg1、Rg2为MOSFET栅极驱动电阻，一般取值100欧姆左右。
在背靠背MOSFET主电路中，为保证电路的可靠性，可选用贴片的低Rds(on)的MOSFET(MOSFET Rds(on)可低至毫欧级甚至微欧级)，将MOSFET表贴于电路板，同时电路板采用铝基板材质，将铝基板安装于散热器进行散热，可有效减小电路整体尺寸的目的，为保证电路可靠性，可采取多组背靠背MOSFET并联，以分摊电路电流，减小单路背靠背MOSFET损耗；
其中，在本申请实施例中，隔离电源输出的驱动电路电压一般取12V(根据所选MOSFET的栅极电压确定)，可保证MOSFET的可靠开通与关断；
其中，在本申请实施例中，整个电子开关的参考电位为：隔离电源输出地、驱动控制电路地以及背靠背MOSFET源极连接点(三个点相连)；
其中，在本申请实施例中，驱动控制电路中可采用专用的驱动控制芯片，将控制信号一转二输出两组驱动信号；
其中，在本申请实施例中，信号隔离电路可采用光耦隔离或者磁耦隔离，本案例中采用普通的无源光耦EL357将信号进行隔离；
其中，在本申请实施例中，吸收电路用于预防背靠背MOSFET开通或关断是出现的浪涌电压，低压电路中可以取消。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种超大电流电子开关电路，其特征在于，所述电子开关电路包括：
M个基本电路单元、隔离电源、信号隔离电路和驱动控制电路，M为大于1的整数；
基本电路单元包括：第一MOSFET管、第二MOSFET管、第一下拉电阻、第二下拉电阻、第一栅极驱动电阻和第二栅极驱动电阻；第一MOSFET管的源极与第二MOSFET管的源极连接并接地；第一MOSFET管的栅极与第一下拉电阻的一端和第一栅极驱动电阻的一端均连接；第二MOSFET管的栅极与第二下拉电阻的一端和第二栅极驱动电阻的一端均连接；第一下拉电阻的另一端与第二下拉电阻的另一端连接并接地；第一栅极驱动电阻的另一端和第二栅极驱动电阻的另一端分别与驱动控制电路的输出端连接；其中，第一基本电路单元中的第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第一基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电流电路中的B点连接，第二基本电路单元中第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第二基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电路中的B点连接，使第一基本电路单元和第二基本电路单元中背靠背MOSFET管形成并联的电路连接模式，同理，第三基本电路单元中第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第三基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电路中的B点连接，依次类推，第M基本电路单元中第一MOSFET管的漏极与预设电流电路中的A点连接，第M基本电路单元中的第二MOSFET管的漏极与预设电路中的B点连接，预设电流电路中的电流从A点向B点传输；隔离电源用于为信号隔离电路和驱动控制电路供电，信号隔离电路携带控制信号，信号隔离电路与驱动控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，M个基本电路单元并联在驱动控制电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，隔离电源将电子开关电路内部电源与外部电源相分离，将隔离电源输出地电位作为整个电子开关电路的参考地，同时隔离电源的输出电压作为驱动控制电路的输入电压，为基本电路单元提供栅极驱动信号。
4.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，当第一MOSFET管的栅极电平为高电平时，且第二MOSFET管的栅极电平为高电平时，基本电路单元为双向导通状态；当第一MOSFET管的栅极电平为低电平时，且第二MOSFET管的栅极电平为低电平时，基本电路单元为双向关断状态。
5.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，第一MOSFET管和第二MOSFET管均为N沟道MOSFET管，当第一MOSFET管和第二MOSFET管导通时，电路电流从A点沿第一MOSFET管的漏极、第一MOSFET管的源极、第二MOSFET管的源极、第二MOSFET管的漏极的顺序流至B点。
6.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，信号隔离电路将外部控制信号与电子开关电路内部控制信号相隔离，采用光耦隔离或磁耦隔离。
7.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，驱动控制电路将同一个控制信号转换为两个同步信号分别控制每个基本电路单元中的第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极，对每个基本电路单元中第一MOSFET管和第二MOSFET管进行同时开通或关断。
8.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，所述电子开关电路还包括吸收电路，吸收电路的一端与预设电流电路中的A点连接，吸收电路的另一端与预设电流电路中的B点连接。
9.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，吸收电路用于对基本电路单元开关过程中的浪涌电压进行吸收。
10.根据权利要求1所述的超大电流电子开关电路，其特征在于，将第一MOSFET管和第二MOSFET管表贴于电路板，电路板采用铝基板材质。
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