CN113556120A - 一种小型化大负载的固态继电器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种小型化大负载的固态继电器，包括管壳和内瓷片和驱动电路，驱动电路设置发光二极管D1、光伏V1组成驱动控制电路，且通过光隔离；三极管Q1、电容C1、开关二极管D4、D5组成放大充电电路；开关二极管D3、光伏V1组成泄放电路；MOS芯片V2、V3组成开关电路，各元器件为贴片状结构并采用键合工艺互联，管壳和内瓷片上分别设置有若干电极焊盘，发光二极管D1和开关二极管D2分别固定贴合在内瓷片的电极焊盘上，其余元器件分别固定贴合在管壳的各电极焊盘上，内瓷片扣合在管壳上，且发光二极管D1对准光伏V1。本发明提供了一种小型化大负载的固态继电器，通过设计快速充泄放电路，在减小产品体积的同时，提高继电器驱动能力。
Description
技术领域
本发明属于继电器技术领域，具体涉及一种小型化大负载的固态继电器。
背景技术
对于继电器来说，继电器就是一种具输入和输出隔离的开关。一般来说，体积小，负载能力是继电器不断追求的目标。而现在，体积最小的继电器类型为陶瓷封装的光MOS继电器，要提高其负载能力，必须要提高其驱动能力，只有驱动能力提高，才能为大负载提供保障。而现如今，常规的光MOS继电器都是通过光伏来驱动MOS芯片，如公开号为CN103516343A的中国专利提供的一种固体继电器，由于光伏的驱动能力较弱，很难驱动大负载的MOS芯片，因为大负载的MOS芯片，其结电容较大，而光伏的驱动电流较小。如果要提高其驱动能力，一般需要通过驱动电路来提高其驱动能力，如公开号为CN101872761A的中国专利提供的一种光耦合装置，其通过并联多路受光元件(光伏)，来达到提高驱动能力的目的，但是这种并联很有限，因为受光元件的驱动电流一般在几微安至几十微安，如果要驱动大负载时，无法满足要求，而且多路并联后，其体积势必增大，不能满足小型化大负载的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种小型化大负载的固态继电器，通过设计快速充泄放电路，在减小产品体积的同时，提高继电器驱动能力。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种小型化大负载的固态继电器，包括管壳、内瓷片和驱动电路，驱动电路包括发光二极管D1、开关二极管D4、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2、电阻R1，发光二极管D1接入输入电源为光伏V1提供光驱动信号，光伏V1输出正极与MOS芯片V2的源极连接，MOS芯片V2的漏极与开关二极管D4的正极连接，开关二极管D4的负极与MOS芯片V2的源极之间并联有电容C1，开关二极管D4的负极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与光伏V1输出负极连接，MOS芯片V2的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R1；发光二极管D1、二极管开关D4、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2、电阻R1均为贴片状结构并通过键合接触进行电性连接，且发光二极管D1、二极管开关D4、光伏V1、MOS芯片V2、三极管Q1均为裸芯片，管壳和内瓷片上分别设置有若干电极焊盘，二极管开关D4、光伏V1、MOS芯片V2、三极管Q1、电容C1、电阻R1分别固定贴合在管壳的各电极焊盘上，发光二极管D1固定在内瓷片的电极焊盘上，内瓷片扣合在管壳上，且发光二极管D1对准光伏V1。接通时，三极管Q1、电容C1、开关二极管D4组成放大充电电路，在光信号强度不变的情况下，提高了MOS芯片V2的输出负载，同时采用贴片状裸芯片，从而使产品小型化，同时具有较大的驱动能力。
优选地，所述光伏V1的正极和负极的键合面设置在同侧面；发光二极管D1、二极管开关D4的正负极均分别设置在正反两面；电阻R1的正极和负极的键合面设置在同侧面；三极管Q1的基极和发射极的键合面设置在正面，集电极的键合面设置在背面；MOS芯片V2的正面设置为源极的键合面，且在正面划分一个小区域设置为栅极的键合面，背面为漏极的键合面。
进一步地，所述发光二极管D1串联有开关二极管D2，二极管开关D2固定在内瓷片上与发光二极管D1间隔的电极焊盘上。
进一步地，所述三极管Q1的基极和发射极之间并联有开关二极管D3，开关二极管D3的正极与三极管Q1的发射极连接，开关二极管D3的负极与三极管Q1的基极连接，开关二极管D3为贴片状结构并固定在管壳的电极焊盘上。开关二极管D3和光伏V1组成泄放电路，关断时，由开关二极管D3、光伏V1组成泄放电路，快速消耗MOS芯片V2结电容上的电荷将被很快泄放掉，从而使产品快速关断。
优选地，所述二极管开关D3的正负极分别设置在正反两面。
进一步地，所述电容C1为瓷介电容，且电容C1的电容值比MOS芯片V2的结电容大一个数量级。
优选地，所述电阻R1为芯片电阻。
进一步地，还包括MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5，MOS芯片V3的源极与光伏V1输出正极连接，MOS芯片V3的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R2，MOS芯片V3的漏极与与开关二极管D5的正极连接，开关二极管D5的负极与三极管Q1的集电极连接，MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5均为贴片状结构并通过键合接触进行电性连接，MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5分别固定贴合在管壳的各电极焊盘上。
优选地，所述二极管开关D5的正负极分别设置在正反两面；电阻R2的正极和负极的键合面设置在同侧面；MOS芯片V3的正面设置为源极的键合面，且在正面划分一个小区域设置为栅极的键合面，背面为漏极的键合面。
优选地，所述电阻R2为芯片电阻。
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，采用全裸芯装配，以及电路设计和结构设计，使固态继电器整体体积小型化；通过设计快速充泄放电路，在减小产品体积的同时，提高继电器驱动能力，从而实现小体积大负载固态继电器，满足装备小型化、轻量化的发展需求。
附图说明
图1是本发明中驱动电路的结构示意图；
图2是本发明中固态继电器的内部结构示意图；
图3是本发明中管壳组合的结构示意图；
图4是本发明中管壳的结构示意图；
图5是本发明中管壳组合的装配流程图；
图6是本发明中二极管组合的结构示意图；
图7是本发明中内瓷片的结构示意图；
图8是本发明中二极管组合的装配流程图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种小型化大负载的固态继电器，包括管壳、内瓷片和驱动电路，驱动电路包括发光二极管D1、开关二极管D4、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2、电阻R1，发光二极管D1接入输入电源为光伏V1提供光驱动信号，光伏V1输出正极与MOS芯片V2的源极连接，MOS芯片V2的漏极与开关二极管D4的正极连接，开关二极管D4的负极与MOS芯片V2的源极之间并联有电容C1，开关二极管D4的负极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与光伏V1输出负极连接，MOS芯片V2的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R1；发光二极管D1、二极管开关D4、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2、电阻R1均为贴片状结构并通过键合接触进行电性连接，且发光二极管D1、二极管开关D4、光伏V1、MOS芯片V2、三极管Q1均为裸芯片，管壳和内瓷片上分别设置有若干电极焊盘，二极管开关D4、光伏V1、MOS芯片V2、三极管Q1、电容C1、电阻R1分别固定贴合在管壳的各电极焊盘上，发光二极管D1固定在内瓷片的电极焊盘上，内瓷片扣合在管壳上，且发光二极管D1对准光伏V1。
所述光伏V1的正极和负极的键合面设置在同侧面；发光二极管D1、二极管开关D4的正负极均分别设置在正反两面；电阻R1的正极和负极的键合面设置在同侧面；三极管Q1的基极和发射极的键合面设置在正面，集电极的键合面设置在背面；MOS芯片V2的正面设置为源极的键合面，且在正面划分一个小区域设置为栅极的键合面，背面为漏极的键合面。
所述发光二极管D1串联有开关二极管D2，二极管开关D2固定在内瓷片上与发光二极管D1间隔的电极焊盘上。
所述三极管Q1的基极和发射极之间并联有开关二极管D3，开关二极管D3的正极与三极管Q1的发射极连接，开关二极管D3的负极与三极管Q1的基极连接，开关二极管D3为贴片状结构并固定在管壳的电极焊盘上。
所述二极管开关D3的正负极分别设置在正反两面。
所述电容C1为瓷介电容，且电容C1的电容值比MOS芯片V2的结电容大一个数量级。
所述电阻R1为芯片电阻。
还包括MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5，MOS芯片V3的源极与光伏V1输出正极连接，MOS芯片V3的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R2，MOS芯片V3的漏极与与开关二极管D5的正极连接，开关二极管D5的负极与三极管Q1的集电极连接，MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5均为贴片状结构并通过键合接触进行电性连接，MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5分别固定贴合在管壳的各电极焊盘上。
所述二极管开关D5的正负极分别设置在正反两面；电阻R2的正极和负极的键合面设置在同侧面；MOS芯片V3的正面设置为源极的键合面，且在正面划分一个小区域设置为栅极的键合面，背面为漏极的键合面。
所述电阻R2为芯片电阻。
实施例
一种小型化大负载的固态继电器，为了实现快速通断及提高驱动能力，其驱动电路如图1所示，由发光二极管D1、开关二极管D2、D3、D4和D5、光伏V1、三极管Q1、电容C1、电阻R1、R2、MOS芯片V2、V3组成，发光二极管D1接入输入电源为光伏V1提供光驱动信号，光伏V1输出正极与MOS芯片V2的源极连接，MOS芯片V2的漏极与开关二极管D4的正极连接，开关二极管D4的负极与MOS芯片V2的源极之间并联有电容C1，开关二极管D4的负极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与光伏V1输出负极连接，MOS芯片V2的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R1，MOS芯片V3的源极与光伏V1输出正极连接，MOS芯片V3的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R2，MOS芯片V3的漏极与与开关二极管D5的正极连接，开关二极管D5的负极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极和发射极之间并联有开关二极管D3，开关二极管D3的正极与三极管Q1的发射极连接，开关二极管D3的负极与三极管Q1的基极连接。
发光二极管D1、光伏V1组成驱动控制电路，且通过光隔离；三极管Q1、电容C1、开关二极管D4、D5组成放大充电电路；开关二极管D3、光伏V1组成泄放电路；MOS芯片V2、V3组成开关电路。
其中发光二极管D1、二极管开关D2、D3、D4和D5、光伏V1、MOS芯片V2和V3、三极管Q1均为裸芯片。
所述电容C1为瓷介电容，且电容C1的电容值比MOS芯片V2的结电容大一个数量级。
所述电阻R1、R2为芯片电阻。
所述发光二极管D1串联有开关二极管D2。
为了实现电路结构布局，减小体积，实现小型化，固态继电器的内部封装如图2、图3、图6所示，还包括管壳、内瓷片，驱动电路中的发光二极管D1、二极管开关D2、D3、D4和D5、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2和V3、电阻R1和R2均为贴片状结构并通过键合接触进行电性连接，二极管开关D3、D4和D5、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2和V3、电阻R1和R2固定贴合在管壳的各电极焊盘上，发光二极管D1和二极管开关D2固定在内瓷片的各电极焊盘上，内瓷片扣合在管壳上，且发光二极管D1对准光伏V1。
产品驱动电路体积非常小，且驱动能力较强。继电器采用微组装工艺生产。元器件采用环氧导电胶粘接，各元器件采用键合工艺互联，最后采用平行封焊工艺封装。
其装配流程包括以下步骤：
步骤一：管壳和内瓷片均按驱动电路分区设置电极，各电极进行金属化形成焊盘，管壳结构如图4所示、内瓷片结构如图7所示；光伏V1、MOS芯片V2和V3、发光二极管D1、二极管开关D2、D3、D4和D5、三极管Q1、电阻R1和R2、电容C1加工为贴片状，发光二极管D1、二极管开关D2、D3、D4和D5、光伏V1、MOS芯片V2和V3、三极管Q1均为裸芯片，电阻R1和R2为芯片电阻；
光伏V1的正极和负极的键合面设置在同侧面；发光二极管D1、二极管开关D2、D3、D4和D5的正负极均分别设置在正反两面；电阻R1和R2的正极和负极的键合面设置在同侧面；三极管Q1的基极和发射极的键合面设置在正面，集电极的键合面设置在背面；MOS芯片V2和V3的正面设置为源极的键合面，且在正面划分一个小区域设置为栅极的键合面，背面为漏极的键合面；
步骤二：采用微组装工艺进行装配，将光伏V1、MOS芯片V2和V3、二极管开关D3、D4和D5、三极管Q1、电阻R1和R2、电容C1放置到管壳的各个焊盘上，通过键合接触方式按驱动电路连接关系连接各元器件，并通过环氧导电胶固定，获得管壳组件，如图4所示；
步骤三：将发光二极管D1、二极管开关D2放置到内瓷片的各个焊盘上，通过键合接触方式按驱动电路连接关系连接发光二极管D1和二极管开关D2，并通过环氧导电胶固定，获得二极管组件，如图6所示；
步骤四：将内瓷片扣合在管壳上，使发光二极管D1的发光部对准光伏V1，最后进行平行封焊工艺封装成一个整体。
工作原理如下：
接通时，通过发光二极管发光D1，将光信号传递给光伏V1，将光信号转换为电信号，驱动三极管Q1，将小信号放大，从而提高MOS芯片V2、V3的栅极的注入电流，以提高其驱动能力，该电流可以达到几毫安，甚至上百毫安。当MOS芯片V2、V3接通后，电流由电容C1提供，电容C1的电容值比MOS芯片V2、V3的结电容大一个数量级。
关断时，发光二极管D1失去电流，光伏V1即失去电信号，导致三极管Q1关断，这时，MOS芯片V2、V3的栅极，通过开关二极管D3、光伏V1、回到MOS芯片V2、V3的源极，形成回路，由于V1具有快放功能，所以，MOS芯片V2、V3结电容上的电荷将被很快泄放掉，从而使产品快速关断。
本发明提供的一种小型化大负载的固态继电器，采用全裸芯装配，以及电路设计和结构设计，使固态继电器整体体积小型化；通过设计快速充泄放电路，在减小产品体积的同时，提高继电器驱动能力，从而实现小体积大负载固态继电器，满足装备小型化、轻量化的发展需求。
Claims (10)
1.一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：包括管壳、内瓷片和驱动电路，驱动电路包括发光二极管D1、开关二极管D4、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2、电阻R1，发光二极管D1接入输入电源为光伏V1提供光驱动信号，光伏V1输出正极与MOS芯片V2的源极连接，MOS芯片V2的漏极与开关二极管D4的正极连接，开关二极管D4的负极与MOS芯片V2的源极之间并联有电容C1，开关二极管D4的负极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与光伏V1输出负极连接，MOS芯片V2的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R1；发光二极管D1、二极管开关D4、光伏V1、三极管Q1、电容C1、MOS芯片V2、电阻R1均为贴片状结构并通过键合接触进行电性连接，且发光二极管D1、二极管开关D4、光伏V1、MOS芯片V2、三极管Q1均为裸芯片，管壳和内瓷片上分别设置有若干电极焊盘，二极管开关D4、光伏V1、MOS芯片V2、三极管Q1、电容C1、电阻R1分别固定贴合在管壳的各电极焊盘上，发光二极管D1固定贴合在内瓷片的电极焊盘上，内瓷片扣合在管壳上，且发光二极管D1对准光伏V1。
2.如权利要求1所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述光伏V1的正极和负极的键合面设置在同侧面；发光二极管D1、二极管开关D4的正负极均分别设置在正反两面；电阻R1的正极和负极的键合面设置在同侧面；三极管Q1的基极和发射极的键合面设置在正面，集电极的键合面设置在背面；MOS芯片V2的正面设置为源极的键合面，且在正面划分一个小区域设置为栅极的键合面，背面为漏极的键合面。
3.如权利要求1所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述发光二极管D1串联有开关二极管D2，二极管开关D2固定在内瓷片上与发光二极管D1间隔的电极焊盘上。
4.如权利要求1所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述三极管Q1的基极和发射极之间并联有开关二极管D3，开关二极管D3的正极与三极管Q1的发射极连接，开关二极管D3的负极与三极管Q1的基极连接，开关二极管D3为贴片状结构并固定在管壳的电极焊盘上。
5.如权利要求4所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述二极管开关D3的正负极分别设置在正反两面。
6.如权利要求1所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述电容C1为瓷介电容，且电容C1的电容值比MOS芯片V2的结电容大一个数量级。
7.如权利要求1所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述电阻R1为芯片电阻。
8.如权利要求1所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：还包括MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5，MOS芯片V3的源极与光伏V1输出正极连接，MOS芯片V3的栅极与三极管Q1的发射极之间串联有电阻R2，MOS芯片V3的漏极与与开关二极管D5的正极连接，开关二极管D5的负极与三极管Q1的集电极连接，MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5均为贴片状结构并通过键合接触进行电性连接，MOS芯片V3、电阻R2、开关二极管D5分别固定贴合在管壳的各电极焊盘上。
9.如权利要求8所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述二极管开关D5的正负极分别设置在正反两面；电阻R2的正极和负极的键合面设置在同侧面；MOS芯片V3的正面设置为源极的键合面，且在正面划分一个小区域设置为栅极的键合面，背面为漏极的键合面。
10.如权利要求8所述的一种小型化大负载的固态继电器，其特征在于：所述电阻R2为芯片电阻。
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