CN110545097A - 一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路 - Google Patents

一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路，包括：驱动电路、功率MOS管、续流电路、关断电路、直流源和负载；其中，直流源，用于产生直流电能；功率MOS管，用于实现直流源和负载之间通/断状态的切换；关断电路，接收高脉冲关断信号后瞬间泄放功率MOS管中栅源等效电容存储的电荷，使功率MOS管关断；续流电路，在功率MOS管通态时为产生功率MOS管持续栅源驱动电压的分压电阻提供续流通路；驱动电路，接收高脉冲开通信号后接通电阻分压电路，从而为功率MOS管产生驱动电压。本发明解决了常用直流功率回路开关器件在选用时受工作时震动量级、功率线路通断频率、控制电路功耗、器件安装空间所限制的技术问题。

Description

一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路
技术领域
本发明属于功率电路控制领域，尤其涉及一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路。
背景技术
工程应用中，直流功率回路对负载的供电都需要进行通断控制，控制电路难免在恶劣的环境下工作，受工作环境震动量级、功率线路通断频率、控制电路功耗、器件安装空间等要求限制。在震动量级、通断频率、功耗、安装空间等各方面指标的综合约束下，提高实现通断控制功能的器件或功能模块的适应性成为亟待解决的问题，以减少选型工作的困难。
普遍的直流功率回路通断控制器件有继电器、接触器、手动开关等，继电器方式在震动量级大的条件下触点状态的可靠性逐渐成为短板，受工作环境震动量级的限制；接触器方式下，器件驱动电路的功耗成为突出的问题，除此之外，体积大、重量大、触点易受电弧损伤也使其应用不具备优势；手动开关方式比较简单，但受直流功率回路通断频率要求的限制，而且操作过程缺乏安全性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路，解决了常用直流功率回路开关器件在选用时受工作时震动量级、功率线路通断频率、控制电路功耗、器件安装空间所限制的技术问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路，包括：驱动电路、功率MOS管、续流电路、关断电路、直流源和负载；其中，直流源、功率MOS管和负载构成功率通道；直流源，是开关电路的控制对象，产生直流电能；功率MOS管，作为开关电路的核心功率切换部分，实现直流源和负载之间通/断状态的切换；负载，消耗直流电能并执行相应的工作过程；关断电路、续流电路和驱动电路构成控制电路；关断电路，接收高脉冲关断信号后瞬间泄放功率MOS管中栅源等效电容存储的电荷，使功率MOS管关断；续流电路，在功率MOS管通态时为产生功率MOS管持续栅源驱动电压的分压电阻提供续流通路；驱动电路，接收高脉冲开通信号后接通电阻分压电路，从而为功率MOS管产生驱动电压。
上述低压脉冲触发控制的无触点开关电路中，所述功率MOS管包括分压电阻R1、分压电阻R2、稳压二极管D1、软启动电容C1、泄放电阻R5、P型功率MOS管；其中，分压电阻R1的一个引脚均与直流源的供电正端、稳压二极管D1的阴极、软启动电容C1的一个引脚、P型功率MOS管的源极S相连接；分压电阻R1的另一引脚均与分压电阻R2的一个引脚、稳压二极管D1的阳极、软启动电容C1的另一个引脚、泄放电阻R5的一个引脚相连接；泄放电阻R5的另一个引脚与P型功率MOS管的栅极G相连接。
上述低压脉冲触发控制的无触点开关电路中，所述负载的负载正端与P型功率MOS管的漏极D相连接，负载的负载负端与直流源的供电负端相连接。
上述低压脉冲触发控制的无触点开关电路中，所述关断电路为开关光耦U1；其中，开关光耦U1的脉冲输入正端与外部高脉冲正端相连接，开关光耦U1的脉冲输入负端与外部高脉冲负端相连接，开关光耦U1的输出正端与分压电阻R1的一个引脚相连接，开关光耦U1的输出负端与分压电阻R1的另一引脚相连接。
上述低压脉冲触发控制的无触点开关电路中，所述续流电路包括N型功率MOS管、稳压二极管D2、分压电阻R3、分压电阻R4和软启动电容C2；其中，N型功率MOS管的漏极D与分压电阻R2的另一引脚相连接，N型功率MOS管的栅极G均与稳压二极管D2的阴极、分压电阻R4的一个引脚、分压电阻R3的另一引脚、软启动电容C2的一个引脚相连接；N型功率MOS管的源极S与稳压二极管D2的阳极、分压电阻R4的另一引脚、软启动电容C2的另一引脚、直流源的供电负端、负载的负载负端相连接；分压电阻R3的一个引脚与负载的负载正端相连接。
上述低压脉冲触发控制的无触点开关电路中，所述驱动电路为开关光耦U2；其中，开关光耦U2的输出正端与分压电阻R2的另一引脚相连接，开关光耦U2的输出负端与直流源的供电负端相连接，开关光耦U2的脉冲输入正端与外部高脉冲正端相连接，开关光耦U2的脉冲输入负端均与外部高脉冲负端、开关光耦U1的脉冲输入负端相连接。
上述低压脉冲触发控制的无触点开关电路中，所述分压电阻R1为30K欧姆，所述分压电阻R2为10K欧姆，所述泄放电阻R5为100欧姆，所述软启动电容C1为0.01uF。
上述低压脉冲触发控制的无触点开关电路中，所述分压电阻R3为10K欧姆，所述分压电阻R4为30K欧姆，所述软启动电容C2为0.01uF。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1)本发明的功率MOSFET通态、断态、开通过程、关断过程均由半导体器件的内部结构变化决定，通、断工作状态的稳定性不受震动量级的限制；
2)本发明的功率MOSFET的工作频率在成熟应用中已经达到兆级以上，开关速度非常快，明显优于继电器、接触器、手动开关等；
3)本发明的电路工作由脉冲触发信号驱动，且由功率MOSFET串联在功率回路中决定功率回路通断，电路工作时功耗小；
4)本发明可根据电路的安装空间灵活调整电路板的形状设计，安装空间适应性强；
5)本发明用脉冲触发控制电路，瞬间实现功率电路的开通、关断；
6)本发明调节功率MOS管并联数可以调节功率回路可承受电流大小；
7)本发明调节功率MOS管串联数可以调节功率回路可承受电压大小；
8)本发明的脉冲发生电路与此电路具有电气隔离，实现控制的安全性；
9)本发明采用软起动设计，避免功率回路上电瞬间负载电流冲击或打火。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的低压脉冲触发控制的无触点开关电路的框图；
图2是本发明实施例提供的低压脉冲触发控制的无触点开关电路的电路连接图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的低压脉冲触发控制的无触点开关电路的框图。如图1所示，该低压脉冲触发控制的无触点开关电路包括：驱动电路1、功率MOS管2、续流电路3、关断电路4、直流源5和负载6；其中，
直流源5、功率MOS管2和负载6构成功率通道；直流源5，是开关电路的控制对象，产生直流电能；功率MOS管2，作为开关电路的核心功率切换部分，实现直流源5和负载6之间通/断状态的切换；负载6，消耗直流电能并执行相应的工作过程。
关断电路4、续流电路3和驱动电路1构成控制电路；关断电路4，接收高脉冲关断信号后瞬间泄放功率MOS管2中栅源等效电容存储的电荷，使功率MOS管2关断；续流电路3，在功率MOS管2通态时为产生功率MOS管2持续栅源驱动电压的分压电阻提供续流通路；驱动电路1，接收高脉冲开通信号后接通电阻分压电路，从而为功率MOS管2产生驱动电压。
图2是本发明实施例提供的低压脉冲触发控制的无触点开关电路的电路连接图。需要理解的是，图2中通过黑实线框将驱动电路1、功率MOS管2、续流电路3、关断电路4、直流源5和负载6六部分区分出来。
如图2所示，直流源5包括任意一种有“POWER+”、“POWER-”输出电气端子的能量储存装置、电子电源或电能调节电路。
如图2所示，所述功率MOS管2包括分压电阻R1、分压电阻R2、稳压二极管D1、软启动电容C1、泄放电阻R5、功率P-MOSFET即P型功率MOS管。其中，
分压电阻R1的一个引脚均与直流源5的供电正端即“POWER+”端、稳压二极管D1的阴极、软启动电容C1的一个引脚、功率P-MOSFET的源极S相连接；分压电阻R1的另一引脚均与分压电阻R2的一个引脚、稳压二极管D1的阳极、软启动电容C1的另一个引脚、泄放电阻R5的一个引脚相连接；泄放电阻R5的另一个引脚与功率P-MOSFET的栅极G相连接。
如图2所示，所述负载6的负载正端即“LOAD+”端与功率P-MOSFET的漏极D相连接，负载6的负载负端即“LOAD-”端与直流源5的供电负端即“POWER-”端相连接。负载6包括任意一种有“LOAD+”、“LOAD-”输入电气端子的元器件、组部件或设备。
如图2所示，所述关断电路4为开关光耦U1；其中，开关光耦U1的脉冲输入正端(即输入“5V2+”端)与外部高脉冲正端相连接，开关光耦U1的脉冲输入负端(即输入“5V1/5V2-”端)与外部高脉冲负端相连接，开关光耦U1的输出正(“+”)端与分压电阻R1的一个引脚相连接，开关光耦U1的输出负(“-”)端与分压电阻R1的另一引脚相连接。
如图2所示，所述续流电路3包括N型功率MOS管即功率N-MOSFET、稳压二极管D2、分压电阻R3、分压电阻R4和软启动电容C2；其中，功率N-MOSFET的漏极D与分压电阻R2的另一引脚相连接，功率N-MOSFET的栅极G均与稳压二极管D2的阴极、分压电阻R4的一个引脚、分压电阻R3的另一引脚、软启动电容C2的一个引脚相连接；功率N-MOSFET的源极S与稳压二极管D2的阳极、分压电阻R4的另一引脚、软启动电容C2的另一引脚、直流源5的“POWER-”端、负载6的“LOAD-”端相连接；分压电阻R3的一个引脚与负载6的“LOAD+”端相连接。
如图2所示，所述驱动电路1为开关光耦U2；其中，开关光耦U2的输出正(“+”)端与分压电阻R2的另一引脚相连接，开关光耦U2的输出负(“-”)端与直流源5的“POWER-”端相连接，开关光耦U2的脉冲输入正端(即输入“5V1+”端)与外部高脉冲正端相连接，开关光耦U2的脉冲输入负端(即输入“5V1-/5V2-”端)均与外部高脉冲负端、开关光耦U1的输入“5V1-/5V2-”端相连接。
进一步的，所述分压电阻R1为30K欧姆，所述分压电阻R2为10K欧姆，所述泄放电阻R5为100欧姆，所述软启动电容C1为0.01uF。达到的效果为：此阻值的R2与R1串联分压后形成合适的驱动电压施加到P-MOSFET的栅源极之间，同时，R2的大小可以实现有效的静电放电限流，保证了对P-MOSFET的静电放电防护。R5的阻值大小一方面可以实现P-MOSFET的快速关断，另一方面实现了把关断时栅源等效电容放电电流控制在器件可承受范围内，而不会产生过电流损伤P-MOSFET。C1的大小在保证P-MOSFET高开通速度要求的基础上实现了P-MOSFET的软启动方式。
进一步的，所述分压电阻R3为10K欧姆，所述分压电阻R4为30K欧姆，所述软启动电容C2为0.01uF。达到的效果为：此阻值的R3与R4串联分压后形成合适的驱动电压施加到N-MOSFET的栅源极之间，同时，R4的大小可以实现有效的静电放电限流，保证了对N-MOSFET的静电放电防护，也实现了把关断时栅源等效电容放电电流控制在器件可承受范围内，而不会产生过电流损伤N-MOSFET。C2的大小在保证N-MOSFET高开通速度要求的基础上实现了N-MOSFET的软启动方式。
本实施例由MOSFET器件作为功率器件，串联在直流功率回路中，通过对功率MOSFET开通、关断控制实现直流功率回路的开通、关断。
功率MOSFET的“开通”通过在开通光耦的输入端施加外部高电平脉冲触发实现，触发后直流功率回路的电压分压产生驱动电压加载到功率MOSFET的G、S端之间并通过续流MOSFET自锁电路形成稳定、持续的驱动电压；功率MOSFET的“关断”通过在关断光耦的输入端施加外部高电平脉冲触发实现，触发后功率MOSFET的驱动电压消失使功率MOSFET关断，最终使直流功率回路断开。
驱动电路1输入不小于4μs高电平触发脉冲；在触发脉冲持续的时间内，功率MOSFET2经过软启动过程并完全导通；同时，在触发脉冲持续的时间内，续流电路3在输出电压经电阻分压后驱动，经过软启动过程并完全导通，瞬间实现对功率MOSFET2驱动电压的保持；直流源5向负载6供电；在关断电路4输入不小于4μs高电平触发脉冲；在触发脉冲持续的时间内，功率MOSFET2失去驱动电压而关断；续流电路3失去驱动电压而关断；功率MOSFET2失去驱动电压而维持关断。
本发明的功率MOSFET通态、断态、开通过程、关断过程均由半导体器件的内部结构变化决定，通、断工作状态的稳定性不受震动量级的限制；本发明的功率MOSFET的工作频率在成熟应用中已经达到百千赫兹以上，开关速度非常快，明显优于继电器、接触器、手动开关等；本发明的电路工作由高脉冲触发信号驱动，且由功率MOSFET串联在功率回路中决定功率回路通断，电路工作时功耗小；本发明可根据电路的安装空间灵活调整电路板的形状设计，安装空间适应性强；本发明用脉冲触发控制电路，瞬间实现功率电路的开通、关断；本发明调节功率MOS管并联数可以调节功率回路可承受电流大小；本发明调节功率MOS管串联数可以调节功率回路可承受电压大小；本发明的脉冲发生电路与此电路具有电气隔离，实现控制的安全性；本发明采用软起动设计，避免功率回路上电瞬间负载电流冲击或打火。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于包括：驱动电路(1)、功率MOS管(2)、续流电路(3)、关断电路(4)、直流源(5)和负载(6)；其中，
直流源(5)、功率MOS管(2)和负载(6)构成功率通道；
直流源(5)，用于产生直流电能；
功率MOS管(2)，用于实现直流源(5)和负载(6)之间通/断状态的切换；
关断电路(4)、续流电路(3)和驱动电路(1)构成控制电路；
关断电路(4)，用于接收高脉冲关断信号后瞬间泄放功率MOS管(2)中栅源等效电容存储的电荷，使功率MOS管(2)关断；
续流电路(3)，用于在功率MOS管(2)通态时为产生功率MOS管(2)持续栅源驱动电压的分压电阻提供续流通路；
驱动电路(1)，用于接收高脉冲开通信号后接通电阻分压电路，从而为功率MOS管(2)产生驱动电压。
2.根据权利要求1所述的低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于：所述功率MOS管(2)包括分压电阻R1、分压电阻R2、稳压二极管D1、软启动电容C1、泄放电阻R5、P型功率MOS管；其中，
分压电阻R1的一个引脚均与直流源(5)的供电正端、稳压二极管D1的阴极、软启动电容C1的一个引脚、P型功率MOS管的源极S相连接；
分压电阻R1的另一引脚均与分压电阻R2的一个引脚、稳压二极管D1的阳极、软启动电容C1的另一个引脚、泄放电阻R5的一个引脚相连接；
泄放电阻R5的另一个引脚与P型功率MOS管的栅极G相连接。
3.根据权利要求2所述的低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于：所述负载(6)的负载正端与P型功率MOS管的漏极D相连接，负载(6)的负载负端与直流源(5)的供电负端相连接。
4.根据权利要求3所述的低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于：所述关断电路(4)为开关光耦U1；其中，
开关光耦U1的脉冲输入正端与外部高脉冲正端相连接，开关光耦U1的脉冲输入负端与外部高脉冲负端相连接，开关光耦U1的输出正端与分压电阻R1的一个引脚相连接，开关光耦U1的输出负端与分压电阻R1的另一引脚相连接。
5.根据权利要求4所述的低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于：所述续流电路(3)包括N型功率MOS管、稳压二极管D2、分压电阻R3、分压电阻R4和软启动电容C2；其中，
N型功率MOS管的漏极D与分压电阻R2的另一引脚相连接，N型功率MOS管的栅极G均与稳压二极管D2的阴极、分压电阻R4的一个引脚、分压电阻R3的另一引脚、软启动电容C2的一个引脚相连接；
N型功率MOS管的源极S与稳压二极管D2的阳极、分压电阻R4的另一引脚、软启动电容C2的另一引脚、直流源(5)的供电负端、负载(6)的负载负端相连接；
分压电阻R3的一个引脚与负载(6)的负载正端相连接。
6.根据权利要求5所述的低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于：所述驱动电路(1)为开关光耦U2；其中，
开关光耦U2的输出正端与分压电阻R2的另一引脚相连接，开关光耦U2的输出负端与直流源(5)的供电负端相连接，开关光耦U2的脉冲输入正端与外部高脉冲正端相连接，开关光耦U2的脉冲输入负端均与外部高脉冲负端、开关光耦U1的脉冲输入负端相连接。
7.根据权利要求2所述的低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于：所述分压电阻R1为30K欧姆，所述分压电阻R2为10K欧姆，所述泄放电阻R5为100欧姆，所述软启动电容C1为0.01uF。
8.根据权利要求3所述的低压脉冲触发控制的无触点开关电路，其特征在于：所述分压电阻R3为10K欧姆，所述分压电阻R4为30K欧姆，所述软启动电容C2为0.01uF。
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