CN209787147U - 一种直流智能固态继电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流智能固态继电器，其特征在于，包括金属壳体封装，金属壳体封装内设有开关隔离控制电路、功率开关电路及总线形式的采样反馈电路。本实用新型能够实现具有双向导通性能，短路实时自保护，负载电压/电流状态实时监控，并通过总线接口上报至数字控制设备。

Description

一种直流智能固态继电器

技术领域

本实用新型涉及一种智能继电器，尤其涉及一种直流智能固态继电器，属于航空、航天、舰船、车辆及工业自动化的开关控制领域。

背景技术

相比通用的固态继电器，智能固态继电器具有触点短路自动保护、使用寿命长、实时触点状态监控、可靠性高、控制功率小、拓展应用范围宽、智能程度高、无固定方向并兼容传统继电器等优点。现存的直流固态继电器其电子开关器件一般采用大功率MOSFET器件或IGBT，实现了大功率高耐压。然而其缺点是其功率端均具有方向性，限制了继电器的使用，且不能实时对功率端的电压、电流情况进行实时监控，并通过数字接口进行智能控制，使用的智能化程度及使用维护性均与实际需求有较大差距。

当前，通用固态继电器无法实现过流短路的自主立即保护，对负载端出现的异常情况往往会对开关触点造成损伤，且功率开关端电流不能实现双向导通，不能完全替代传统的电磁线圈带触点继电器。

另一类固态继电器设计了过流保护措施，同时也具有负载直流双向导通功能。但其保护响应条件和过程相对简单，容易引起误保护；另外，因为采用了全桥整流器件实现负载电流的双向导通，导致全桥整理器件的固有压降在大功率状态下产生较大功耗，形成较大的热量，必须要额外散热措施才能长期稳定工作，且体积相对较大。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：解决了如何使得直流固态继电器能够实现具有双向导通性能，短路实时自保护，负载电压/电流状态实时监控，并通过总线接口上报至数字控制设备的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种直流智能固态继电器，其特征在于，包括金属壳体封装，金属壳体封装内设有开关隔离控制电路、功率开关电路及总线形式的采样反馈电路；

开关隔离控制电路包括输入端接ON/OFF控制信号输入的开关隔离接口电路、输入端接电源输入端VCC和GND的第一DC-DC隔离电源电路、驱动电路和短路信号采集电路；驱动电路的三个输入端分别与短路信号采集电路输出端、第一DC-DC隔离电源电路输出端、开关隔离接口电路输出端相连接；

功率开关电路包括第一功率场效应管、第二功率场效应管、电流采样电阻、第一电压采样电阻、第二电压采样电阻、第一栅极电阻和第二栅极电阻；第一栅极电阻的另一端接第一功率场效应管的栅极，第一功率场效应管的源极接电流采样电阻的一端，第一功率场效应管的漏极为固态继电器开关一端；第二栅极电阻的另一端接第二功率场效应管的栅极，第二功率场效应管的源极接电流采样电阻的另一端，第二功率场效应管的漏极为固态继电器开关另一端；电流采样电阻的另一端接第一电压采样电阻的一端，第一电压采样电阻的一端接第二功率场效应管的漏极，第一电压采样电阻的另一端接第二电压采样电阻的一端；

总线形式的采样反馈电路包括与外部总线接口连接的总线隔离接口、输入端接电源输入端VCC和GND的第二DC-DC隔离电源电路、电压/电流采样电路；电压/电流采样电路的两个输入端分别接总线隔离接口的输出端和第二DC-DC 隔离电源电路的输出端；

电压/电流采样电路的输出端接短路信号采集电路的输入端；驱动电路的输出端分别接第一栅极电阻的一端和第二栅极电阻的一端；电压/电流采样电路的第三个输入端接电流采样电阻的一端及第一功率场效应管的源极，电压/电流采样电路的第四个输入端接电流采样电阻的另一端及第二功率场效应管的源极；第一电压采样电阻的另一端接电压/电流采样电路的第五个输入端，第二电压采样电阻的另一端为第二DC-DC隔离电源电路的输出地。

优选地，所述的开关隔离接口电路由集成比较器件、光耦器件、电阻、电容组成。

优选地，所述的金属壳体封装包括金属密封壳体和低热阻。

优选地，所述的驱动电路为组合逻辑电路。

优选地，所述的第一功率场效应管、第二功率场效应管上均并联有功率场效应管；第一功率场效应管上并联的功率场效应管与第二功率场效应管上并联的功率场效应管的数量相同。

本实用新型采用大功率高耐压功率MOSFET场效应管作为智能固态继电器的开关，第一、第二功率场效应管的漏极分别作为智能固态继电器的开关的两端点，源极通过电流采样电阻相连，使本实用新型的智能直流固态继电器具有双向导通性。

驱动电路与第一功率场效应管的栅极及第二功率场效应管的栅极之间分别设有第一栅极电阻及第二栅极电阻。两个栅极电阻特性相同，用于调节功率场效应管开关的上升及下降时间，同时抑制振荡问题，改善智能固态继电器的电磁兼容性和开关稳定性。短路信号采集电路采集到超过额定电流允许倍数的信号后自动输出关断信号，其控制优先级高于开关隔离接口电路的输出。

电压/电流采样电路的输入为电流采样电阻两端的电压信号及两个电压采样电阻的分压信号，电压/电流采样电路通过约定的总线接口将实时状态数据发送至总线隔离接口。

金属密封壳体封装包括金属密封壳体和低热阻、用于将智能继电器自身热量传导到金属壳体的、灌封于壳体内的绝缘导热灌封胶。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型直流智能固态继电器采用两级大功率MOSFET场效应管电路，具有导通电流无方向性，导通内阻小，功耗低等优点；

(2)本实用新型直流智能固态继电器内嵌短路信号采集及判断电路，当继电器发送超过额定电流允许倍数的短路时，按照短路保护曲线立即自动关断继电器，达到自锁保护的功能；

(3)本实用新型的直流智能固态继电器通过约定的总线接口，实时将两级大功率MOSFET场效应管中的电流及电压状态发送至上位机，实现数字智能控制；

(4)本实用新型的直流智能固态继电器采用DC-DC隔离电源电路，控制端、总线接口端与功率端完全电气隔离，与传统电磁继电器应用习惯完全兼容。

附图说明

图1为一种直流智能固态继电器的电路框图；

图2为一种直流智能固态继电器的电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本实用新型为一种直流智能固态继电器，如图1所示，其包括金属壳体封装 1和安装在金属壳体封装1内的开关隔离控制电路2、功率开关电路3及总线形式的采样反馈电路4、电源输入端VCC、GND、继电器开关触点接通和断开控制信号ON/OFF、外部总线接口BUSINTERFACE和直流智能固态继电器的两个开关输出端K1、K2。其中，金属壳体封装1包括金属密封壳体和低热阻，用于将智能继电器自身热量传导到金属壳体的、灌封于壳体内的绝缘导热灌封胶。

如图2所示，开关隔离控制电路2包括开关隔离接口电路21、第一DC-DC 隔离电源电路22、驱动电路23和短路信号采集电路24；功率开关电路3包括第一功率场效应管33、第二功率场效应管34、电流采样电阻35、第一电压采样电阻36、第二电压采样电阻37、第一栅极电阻31和第二栅极电阻32；总线形式的采样反馈电路包括总线隔离接口41、第二DC-DC隔离电源电路42、电压/电流采样电路43。

开关隔离接口电路21的输入端接控制信号输入ON/OFF，开关隔离接口电路21的输出端接驱动电路23输入端A；第一DC-DC隔离电源电路22的输入端接电源输入VCC、GND，第一DC-DC隔离电源电路22的输出端输出+12V隔离电源，第一DC-DC隔离电源电路22的输出端接驱动电路23；电压/电流采样电路43的输出端F接短路信号采集电路24输入端，短路信号采集电路24输出端接驱动电路23输入端B；驱动电路23的输出端C分别接第一栅极电阻31的一端和第二栅极电阻32的一端；电压/电流采样电路43的第三个输入端D接电流采样电阻35的一端，电压/电流采样电路43的第四个输入端E接电流采样电阻 35的另一端；第一栅极电阻31的一端接驱动电路23的输出端C，第一栅极电阻31的另一端接第一功率场效应管33的栅极；第二栅极电阻32的一端接驱动电路23的输出端C，第二栅极电阻32的另一端接第二功率场效应管34的栅极；第一功率场效应管33的源极接电流采样电阻35的一端及电压/电流采样电路43 的第三个输入端D，第一功率场效应管33的漏极为固态继电器开关一端K1，第一功率场效应管33的栅极接第一栅极电阻31的另一端；第二功率场效应管34 的源极接电流采样电阻35的另一端及电压/电流采样电路43的第四个输入端E，第二功率场效应管34的漏极为固态继电器开关另一端K2，第二功率场效应管 34的栅极接第二栅极电阻32的另一端；电流采样电阻35的一端接第一功率场效应管33的源极及电压/电流采样电路43的第三个输入端D，电流采样电阻35 的另一端接第二功率场效应管34的源极及电压/电流采样电路43的第四个输入端E和第一电压采样电阻36的一端；第一电压采样电阻36的一端接电流采样电阻35的另一端及第二功率场效应管34的漏极，第一电压采样电阻36的另一端接电压/电流采样电路43的第五个输入端F和第二电压采样电阻37的一端；第二电压采样电阻37的一端接电压/电流采样电路43的第五个输入端F和第一电压采样电阻36的另一端，第二电压采样电阻37的另一端为第二DC-DC隔离电源电路42的+5V输出地。第二DC-DC隔离电源电路42输入端接电源输入VCC、 GND，第二DC-DC隔离电源电路42的输出端输出+5V隔离电源；总线隔离接口41的一端接外部总线接口，总线隔离接口41的另一端接电压/电流采样电路 43的端口G；电压/电流采样电路43的第三个输入端D接电流采样电阻35和第一功率场效应管33的公共端，电压/电流采样电路43的第四个输入端E接电流采样电阻35的另一端和第二功率场效应管34及第一电压采样电阻36的公共端，电压/电流采样电路43的第五个输入端F接第一电压采样电阻36与第二电压采样电阻37的公共端，电压/电流采样电路43的输出端F接短路信号采集电路24 的输入端，电压/电流采样电路43的端口G接总线隔离接口41的输入端。

其中，开关隔离接口电路21由集成比较器件、光耦器件、电阻、电容组成，用于检测控制输入信号，并设置固定的信号有效区间，根据控制输入信号的有无输出高低电平的逻辑量A到驱动电路23，若检测到有控制电压输入信号，则开关隔离接口电路21输出高电平，反之，则输出低电平。

第一DC-DC隔离电源电路22为开关隔离接口电路21、驱动电路23及短路信号采集电路24提供+12V隔离供电电源，隔离电源地为电流采样电阻35与第一电压采样电阻36及第二功率场效应管34栅极的公共端。

短路信号采集电路24采集电压/电流采样电路43输出的过压或过流状态开关信号，当继电器开关触端存在过压或过流状态时，短路信号采集电路24输出端B输出高电平，反之，无过压或过流状态时，短路信号采集电路24输出端B 输出低电平。

驱动电路23为组合逻辑电路，根据输入端A及输入端B的状态，驱动电路 23的输出端C输出驱动电压，控制第一功率场效应管33、第二功率场效应管34 的导通和断开。

第一栅极电阻31和第二栅极电阻32分别串联在第一功率场效应管33和第二功率场效应管34的栅极与驱动电路23输出端C之间，用于控制功率场效应管(33、34)开关的上升及下降时间，抑制开关振荡，提高固态继电器的电磁兼容性和工作稳定性。

电压/电流采样电路43采集电流采样电阻35输出的过流采样信号和第一电压采样电阻36与第二电压采样电阻37分压产生的电压采样信号，输出端口F 输出过压或过流状态开关信号，当继电器开关触点回路出现短路时，流过电流采样电阻35上的过流电流使电流采样电阻3两端产生电压大于设置的正常电压，该电压经过电压/电流采样电路43按照过流保护曲线实时对比后，电压/电流采样电路43输出端F输出高电平信号，反之，无过流电流时，电压/电流采样电路43 输出端F输出低电平信号。当继电器开关触点端负载电压过压时，第一电压采样电阻36和第二电压采样电阻37上形成的分压使第二电压采样电阻37两端产生电压大于设置的正常电压，该电压经过电压/电流采样电路43的滤波并与预设值对比后，电压/电流采样电路43输出端F输出高电平信号，反之，无过压时，电压/电流采样电路43输出端F输出低电平信号。

总线隔离接口41接收电压/电流采样电路43输出端口G的总线形式数字信号，输出外部BUS INTERFACE连接，实现将实时采用的继电器电流及电压信号以数字形式传输至数字控制设备。

第二DC-DC隔离电源电路42为总线隔离接口41、电压/电流采样电路43 提供+5V隔离供电电源，隔离电源地为第二电压采样电阻37的一端。

本实用新型采用大功率高耐压功率场效应管作为固态智能继电器的开关，两个功率场效应管的漏极分别作为固态继电器的开关的两端点，源极通过电流采样电阻相连，使本实用新型的直流固态继电器具有双向导通性。

本实施例采用两个背对状态的功率场效应管串联作为开关管，具体应用可采用多个功率场效应管并联再以背对的方式的串联的形式提高固态继电器的导通电流。其中，背对状态串联的两组功率场效应管的并联数量应该相同。

Claims (5)

1.一种直流智能固态继电器，其特征在于，包括金属壳体封装(1)，金属壳体封装(1)内设有开关隔离控制电路(2)、功率开关电路(3)及总线形式的采样反馈电路(4)；

开关隔离控制电路(2)包括输入端接ON/OFF控制信号输入的开关隔离接口电路(21)、输入端接电源输入端VCC和GND的第一DC-DC隔离电源电路(22)、驱动电路(23)和短路信号采集电路(24)；驱动电路(23)的三个输入端分别与短路信号采集电路(24)输出端、第一DC-DC隔离电源电路(22)输出端、开关隔离接口电路(21)输出端相连接；

功率开关电路(3)包括第一功率场效应管(33)、第二功率场效应管(34)、电流采样电阻(35)、第一电压采样电阻(36)、第二电压采样电阻(37)、第一栅极电阻(31)和第二栅极电阻(32)；第一栅极电阻(31)的另一端接第一功率场效应管(33)的栅极，第一功率场效应管(33)的源极接电流采样电阻(35)的一端，第一功率场效应管(33)的漏极为固态继电器开关一端(K1)；第二栅极电阻(32)的另一端接第二功率场效应管(34)的栅极，第二功率场效应管(34)的源极接电流采样电阻(35)的另一端，第二功率场效应管(34)的漏极为固态继电器开关另一端(K2)；电流采样电阻(35)的另一端接第一电压采样电阻(36)的一端，第一电压采样电阻(36)的一端接第二功率场效应管(34)的漏极，第一电压采样电阻(36)的另一端接第二电压采样电阻(37)的一端；

总线形式的采样反馈电路(4)包括与外部总线接口连接的总线隔离接口(41)、输入端接电源输入端VCC和GND的第二DC-DC隔离电源电路(42)、电压/电流采样电路(43)；电压/电流采样电路(43)的两个输入端分别接总线隔离接口(41)的输出端和第二DC-DC隔离电源电路(42)的输出端；

电压/电流采样电路(43)的输出端接短路信号采集电路(24)的输入端；驱动电路(23)的输出端分别接第一栅极电阻(31)的一端和第二栅极电阻(32)的一端；电压/电流采样电路(43)的第三个输入端接电流采样电阻(35)的一端及第一功率场效应管(33)的源极，电压/电流采样电路(43)的第四个输入端接电流采样电阻(35)的另一端及第二功率场效应管(34)的源极；第一电压采样电阻(36)的另一端接电压/电流采样电路(43)的第五个输入端，第二电压采样电阻(37)的另一端为第二DC-DC隔离电源电路(42)的输出地。

2.如权利要求1所述的一种直流智能固态继电器，其特征在于，所述的开关隔离接口电路(21)由集成比较器件、光耦器件、电阻、电容组成。

3.如权利要求1所述的一种直流智能固态继电器，其特征在于，所述的金属壳体封装(1)包括金属密封壳体和低热阻。

4.如权利要求1所述的一种直流智能固态继电器，其特征在于，所述的驱动电路(23)为组合逻辑电路。

5.如权利要求1所述的一种直流智能固态继电器，其特征在于，所述的第一功率场效应管(33)、第二功率场效应管(34)上均并联有功率场效应管；第一功率场效应管(33)上并联的功率场效应管与第二功率场效应管(34)上并联的功率场效应管的数量相同。