CN212063966U - 一种开关电路及开关装置 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例公开了一种开关电路及开关装置，涉及开关技术领域，为提高开关电路中的金属‑氧化物半导体场效应晶体管的安全性而发明。所述开关电路，包括：第一开关驱动电路，所述第一开关驱动电路包括直流电源、第一限流电阻及金属‑氧化物半导体场效应晶体管，所述直流电源与所述第一限流电阻第一端连接，所述第一限流电阻的第二端与所述金属‑氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接，所述金属‑氧化物半导体场效应晶体管的漏极用于连接负载，金属‑氧化物半导体场效应晶体管的源极接地。本申请适用于将连接于开关电路的负载接入电源或与电源断开。

Description

一种开关电路及开关装置

技术领域

本申请涉及开关技术领域，尤其涉及一种开关电路及开关装置。

背景技术

为能够方便地将负载接入电源系统或与电源系统断开，在电源系统中设置了开关电路，现有的开关电路由专用芯片、小型三极管或金属-氧化物半导体场效应晶体管，直接驱动功率金属-氧化物半导体场效应晶体管开启或关闭，这种方式在根本上是一种硬性驱动，功率金属-氧化物半导体场效应晶体管在开启过程中容易损坏，使得金属-氧化物半导体场效应晶体管的安全性较低。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种开关电路及开关装置，能够提高开关电路中的金属-氧化物半导体场效应晶体管的安全性。

本申请实施例提供一种开关电路，包括：第一开关驱动电路，所述第一开关驱动电路包括直流电源、第一限流电阻及金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述直流电源与所述第一限流电阻第一端连接，所述第一限流电阻的第二端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接，所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极用于连接负载，金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极接地。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，还包括第二开关驱动电路，所述第二开关驱动电路包括控制器及三极管开关单元电路，所述三极管开关单元电路的输入端与所述控制器的输出端连接，所述三极管开关单元电路的第一输出端与所述第一限流电阻的第二端连接，所述三极管开关单元电路的第二输出端接地。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述三极管开关单元电路包括：第一控制信号输入电路、第二控制信号输入电路及三极管，所述第一控制信号输入电路上设有第二限流电阻，所述第二控制信号输入电路上设有第三限流电阻，所述第二限流电阻的输入端与所述控制器的第一输出端连接，所述第二限流电阻的输出端与所述三极管的基极连接，所述第三限流电阻的输入端与所述控制器的第二输出端连接，所述第三限流电阻的输出端与所述三极管的基极连接，所述三极管的集电极与所述第一限流电阻第二端连接，所述三极管的发射极接地。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述第一控制信号输入电路上还设有第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第二限流电阻的输出端连接，所述第一二极管的阴极与所述三极管的基极连接。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，还包括：钳位电路，所述钳位电路的一端与第一节点相连，所述第一节点为所述第二限流电阻与所述第一二极管的之间的节点，所述钳位电路的另一端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极相连。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述钳位电路包括：第二二极管，所述第二二极管的阳极连接于所述第一节点上，所述第二二极管的阴极与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极相连。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，还包括：信号隔离器，所述信号隔离器连接于所述控制器与三极管开关单元电路之间。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述信号隔离器为光电耦合器、磁耦合器或电容耦合器；所述信号隔离器输入端与所述控制器连接，所述信号隔离器的输出端分别与所述第一控制信号输入电路中的第二限流电阻输入端及第二控制信号输入电路中的第三限流电阻输入连接。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，还包括负载，所述负载为继电器，所述继电器的线圈第一端与电源正极连接，所述继电器的线圈第二端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接，在所述继电器的线圈两端并联有续流二极管，所述续流二极管的阴极与所述继电器的线圈第一端连接，所述续流二极管的阳极与所述继电器的线圈第二端连接。

本申请实施例还提供一种开关装置，包括上述实施方式的任一所述的开关电路。

本申请实施例提供的一种开关电路及开关装置，通过直流电源与第一限流电阻第一端连接，第一限流电阻的第二端与金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接，金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极用于连接负载，金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极接地，这样，直流电源通过第一限流电阻为金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极和源极缓慢充电，使得金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极和源极之间的导电沟道逐渐变宽，进而，流过金属-氧化物半导体场效应晶体管的电流逐渐增大，由于电流对时间的导数较小，不会产生很大的电磁干扰，从而使金属-氧化物半导体场效应晶体管不易损坏，提高金属-氧化物半导体场效应晶体管的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一实施例的开关电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请提供的一实施例的开关电路的结构示意图，如图1所示，本实施例的开关电路，可以包括：第一开关驱动电路1，第一开关驱动电路1，包括直流电源10、第一限流电阻12及金属-氧化物半导体场效应晶体管14，直流电源10与第一限流电阻12第一端连接，第一限流电阻12的第二端与金属-氧化物半导体场效应晶体管14的栅极连接，金属-氧化物半导体场效应晶体管14的漏极用于连接负载，金属-氧化物半导体场效应晶体管14的源极接地。

金属-氧化物半导体场效应晶体管14，简称金氧半场效晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管，一般有耗尽型和增强型两种，而MOSFET依照其沟道极性的不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型。在一个例子中，金属-氧化物半导体场效应晶体管14可为N沟道增强型MOSFET。

MOSFET的结构上存在PN结，当PN结两端的电压变化的时候，PN结的空间电荷区的电荷也发生改变；另外，N区电子和P区空穴因为浓度的差异相互扩散，也会在PN结的两侧产生电荷存储效应，这些因素作用在一起，在MOSFET内部，就会产生相应的寄生电容，为使栅极和源极间的电压达到开启电压或漏极和源极之间形成导电沟道，需对栅极和源极之间存在寄生电容充电。

本实施例中，当MOSFET的漏极连接负载时，直流电源10通过第一限流电阻12为栅极和源极间的寄生电容充电，栅极和源极间的电压上升，直到上升至开启电压，MOSFET开始导通。当第一限流电阻阻值较大时，流过第一限流电阻的电流较小，即为栅极和源极间的寄生电容充电的电流较小，那么，栅极和源极间的电压缓慢上升，漏极和源极之间的导电沟道逐渐变宽，使流过导电沟道的电流逐渐增大，即流过MOSFET的电流逐渐增大。

本实施例，通过直流电源与第一限流电阻第一端连接，第一限流电阻的第二端与金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接，金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极用于连接负载，金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极接地，这样，直流电源通过第一限流电阻为金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极和源极缓慢充电，使得金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极和源极之间的导电沟道逐渐变宽，进而，流过金属-氧化物半导体场效应晶体管的电流逐渐增大，由于电流对时间的导数较小，不会产生很大的电磁干扰，从而使金属-氧化物半导体场效应晶体管在开启过程中不易损坏，提高金属-氧化物半导体场效应晶体管的安全性，同时，也不会产生很大的电流突变干扰与本实施例中的开关电路同时使用的其它电路工作。

参见图1，本申请的又一实施例的开关电路，与上述实施例基本相同，不同之处在于，本实施例的开关电路，还包括：第二开关驱动电路，第二开关驱动电路，包括控制器(图中未示出)及三极管开关单元电路20，三极管开关单元电路20的输入端与控制器的输出端连接，三极管开关单元电路20的第一输出端与第一限流电阻12的第二端连接，三极管开关单元电路20的第二输出端接地。

控制器可为单片机，对应的控制器输出端可为单片机的输出端口；控制器也可为CPU，对用的控制器的输出端可为CPU的输出端口。

控制器的输出端在三极管开关单元电路的输入端施加低电平，使三极管开关单元电路20截止，此时，直流电源通过第一限流电阻为MOSFET的栅极和源极充电，使MOSFET逐渐导通；控制器的输出端在三极管开关单元电路的输入端施加高电平，使三极管开关单元电路导通，此时，MOSFET的栅极和源极间的电压被拉低，从而使MOSFET关断。

在一个例子中，三极管开关单元电路20包括：第一控制信号输入电路200、第二控制信号输入电路202及三极管204，所述第一控制信号输入电路200上设有第二限流电阻200a，第二控制信号输入电路202上设有第三限流电阻202a，第二限流电阻200a的输入端与控制器的第一输出端连接，第二限流电阻200a的输出端与三极管204的基极连接，第三限流电阻202a的输入端与控制器的第二输出端连接，第三限流电阻202a的输出端与三极管204的基极连接，三极管204的集电极与第一限流电阻12第二端连接，三极管204的发射极接地。

控制器的输出端在第二限流电阻200a的输入端施加低电平，使三极管204截止，此时，直流电源10通过第一限流电阻12为MOSFET的栅极和源极充电，使MOSFET逐渐导通；控制器的输出端在第二限流电阻200a的输入端施加高电平，使三极管204导通，此时，MOSFET的栅极和源极间的电压被拉低，从而使MOSFET关断。

也可在第三限流电阻202a的输入端施加低电平，使三极管204截止，此时，直流电源10通过第一限流电阻12为MOSFET的栅极和源极充电，使MOSFET逐渐导通；控制器的输出端在第三限流电阻202a的输入端施加高电平，使三极管204导通，此时，MOSFET的栅极和源极间的电压被拉低，从而使MOSFET关断。

可以理解的是，第二限流电阻的输入端和第三限流电阻的输入端可同时施加低电平，使三极管截止，也可同时施加高电平，使三极管导通。

在一个例子中，第一控制信号输入电路200上还设有第一二极管200b，第一二极管200b的阳极与第二限流电阻200a的输出端连接，第一二极管200b的阴极与三极管204的基极连接。

参见图1，本申请再一实施例的开关电路，与上述实施例基本相同，不同之处在于，本实施例的开关电路，还包括：钳位电路3，钳位电路3的一端与第一节点相连，第一节点为第二限流电阻200a与第一二极管200b的之间的节点，钳位电路3的另一端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管14的漏极相连。在一个例子中，钳位电路3包括：第二二极管30，所述第二二极管30的阳极连接于所述第一节点上，所述第二二极管30的阴极与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管14的漏极相连。

控制器的输出端在第二限流电阻200a的输入端和第三限流电阻202a的输入端施加低电平，使MOSFET导通，此时，再使控制器为第二限流电阻200a的输入端施加高电平，第三限流电阻202a的输入端仍然施加低电平，MOSFET处于安全运行状态。

MOSFET处于导通状态时，其漏极和源极间的电阻可看作定值，当负载电流较小时，MOSFET漏极电压较低，第二二极管30阳极的电压值小于第一二极管200b的导通电压与三极管204基极和发射极的开启电压值之和，此时，三极管204不导通，MOSFET仍然导通；当负载电流升至一定阈值时，MOSFET漏极电压升高，第二二极管30阳极的电压值增大，使得第二二极管30阳极的电压值大于第一二极管220的导通电压与三极管204基极和发射极的开启电压值之和，此时，三极管204导通，使得MOSFET的栅极和源极电压降低到开启电压以下，进而使MOSFET关断。

当负载电流小于阈值电流时，MOSFET一直处于导通状态为负载供电，当负载电流大于阈值电流时，MOSFET因过流保护而关断，从而有效保护MOSFET的安全运行，同时该支路负载发生过载短路等异常情况时能够及时切断负载，在实际使用时，存在多个支路与本申请实施例的电路并联时，可保证不影响其他支路正常运行。

为了使控制器与驱动部分不产生相互干扰，本申请提供又一实施例，参见图1，本实施例的开关电路与上述实施例的开关电路基本相同，不同之处在于，本实施例的开关电路，还包括：信号隔离器(图中未示出)，所述信号隔离器连接于所述控制器与三极管204开关单元电路之间。

在一个例子中，信号隔离器可为光电耦合器、磁耦合器或电容耦合器；信号隔离器输入端与控制器连接，信号隔离器的输出端分别与所述第一控制信号输入电路200中的第二限流电阻200a输入端及第二控制信号输入电路202中的第三限流电阻202a输入连接。

负载为继电器时，MOSFET突然关断(包括强制关断和电流过大时产生的保护关断)，在继电器上仍存在较大的感应电压，此感应电压加在MOSFET的漏极，容易使MOSFET击穿，为了避免这样的情况发生，本实施例与前述实施例基本相同，不同之处在于，本实施例，还包括负载4，所述负载4为继电器，所述继电器的线圈第一端与电源正极连接，所述继电器的线圈第二端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管14的漏极连接，在所述继电器的线圈两端并联有续流二极管5，所述续流二极管5的阴极与所述继电器的线圈第一端连接，所述续流二极管5的阳极与所述继电器的线圈第二端连接。

当MOSFET关断时，继电器上的感应电动势可通过续流二极管5进行放电，从而防止MOSFET过压击穿。

本申请还提供一实施例的开关装置，本实施例的开关装置，包括上述任一实施例中的开关电路。

下面以一具体实施例，对本申请中的开关电路的方案进行详细说明。

参见图1，本实施例中的开关电路包括：直流电源10、第一限流电阻12、金属-氧化物半导体场效应晶体管14、控制器(图中未示出)、第二限流电阻200a、第一二极管200b、第三限流电阻202a、三极管204、第二二极管30、续流二极管5和负载4，其中，直流电源10与第一限流电阻12第一端连接，第一限流电阻12的第二端与金属-氧化物半导体场效应晶体管14的栅极连接，金属-氧化物半导体场效应晶体管14的漏极用于连接负载，金属-氧化物半导体场效应晶体管14的源极接地；

第二限流电阻200a的输入端与控制器的第一输出端连接，第一二极管200b的阳极与第二限流电阻200a的输出端连接，第一二极管200b的阴极与三极管204的基极连接，第三限流电阻202a的输入端与控制器的第二输出端连接，第三限流电阻202a的输出端与三极管204的基极连接，三极管204的集电极与第一限流电阻12第二端连接，三极管204的发射极接地；

第二二极管30的阳极与第一二极管200b的阳极相连，第二二极管30的阴极与金属-氧化物半导体场效应晶体管14的漏极相连；

负载4为继电器，继电器的线圈第一端与负载电源正极连接，继电器的线圈第二端与金属-氧化物半导体场效应晶体管14的漏极连接，在继电器的线圈两端并联有续流二极管5，续流二极管5的阴极与继电器的线圈第一端连接，续流二极管5的阳极与继电器的线圈第二端连接；A1和A2分别为控制器的端口。

本实施例的开关电路，在使用时，当控制器的端口A1、A2均给低电平时，三极管204关断，直流电源VCC1通过第一限流电阻12给MOSFET的栅极和源极充电，使得MOSFET逐渐导通，此时，MOSFET强制导通。由于流过MOSFET的电流缓慢上升，使得di/dt较小从而不会产生很大的电磁干扰，同时也不会有很大电流突变干扰其他电路工作。

当控制器的端口A1、A2均给高电平时，三极管204立即导通，可有效关断功率并防止误触发。MOSFET关断时，续流二极管5对负载4续流，从而防止MOSFET过压击穿，此时，MOSFET强制关断，该种状态具体可应用在任意时刻预使开关电路关断的场景，具体可通过手动的方式，使控制器端口A1和A2为高电平；进一步地，在实际应用中，还可在开关电路中加入电流采样的电路，可预设电流值，当流过MOSFET的电流大于预设电流值时，使控制器控制MOSFET关断。

当MOSFET强制导通状态执行完毕，将控制器端口A1置为高电平、A2保持低电平，此时MOSFET处于安全运行状态。该状态下存在阈值电流Im，当负载电流小于Im时，MOSFET一直处于导通状态为负载供电，当负载电流大于Im时，MOSFET因过流保护而关断，从而有效保护MOSFET的安全运行，同时该支路负载发生过载短路等异常情况时能够及时切断负载并保证不影响其他支路正常运行，阈值电流Im的大小可使用如下公式计算：

Im＝(Vd2+Vbe-Vd1)/Rdson，

Vds＝Vd2+Vbe-Vd1

其中，Vds为M1导通压降；Rdson为M1的导通电阻；Vd1为第二二极管的导通压降；Vd2为第一二极管的导通压降；Vbe为三极管基极发射极间导通压降。

本实施例的方案，通过电阻、三极管、二极管及功率MOSFET的组合实现了一种具有3种工作状态的电子开关电路，该电路可实现直流大电流的开关切换并具有体积小、成本低、便于集成等优点，电子开关的安全运行状态可有效保护电子开关自身及其他支路的安全运行。因此，本设计可广泛应用于大电流直流继电切换、非频繁直流开关、功率电路热插拔对接端口场景。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种开关电路，其特征在于，包括：第一开关驱动电路，所述第一开关驱动电路包括直流电源、第一限流电阻及金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述直流电源与所述第一限流电阻第一端连接，所述第一限流电阻的第二端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接，所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极用于连接负载，金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极接地。

2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，还包括第二开关驱动电路，所述第二开关驱动电路包括控制器及三极管开关单元电路，所述三极管开关单元电路的输入端与所述控制器的输出端连接，所述三极管开关单元电路的第一输出端与所述第一限流电阻的第二端连接，所述三极管开关单元电路的第二输出端接地。

3.根据权利要求2所述的开关电路，其特征在于，所述三极管开关单元电路包括：第一控制信号输入电路、第二控制信号输入电路及三极管，所述第一控制信号输入电路上设有第二限流电阻，所述第二控制信号输入电路上设有第三限流电阻，所述第二限流电阻的输入端与所述控制器的第一输出端连接，所述第二限流电阻的输出端与所述三极管的基极连接，所述第三限流电阻的输入端与所述控制器的第二输出端连接，所述第三限流电阻的输出端与所述三极管的基极连接，所述三极管的集电极与所述第一限流电阻第二端连接，所述三极管的发射极接地。

4.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述第一控制信号输入电路上还设有第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第二限流电阻的输出端连接，所述第一二极管的阴极与所述三极管的基极连接。

5.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，还包括：钳位电路，所述钳位电路的一端与第一节点相连，所述第一节点为所述第二限流电阻与所述第一二极管的之间的节点，所述钳位电路的另一端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极相连。

6.根据权利要求5所述的开关电路，其特征在于，所述钳位电路包括：第二二极管，所述第二二极管的阳极连接于所述第一节点上，所述第二二极管的阴极与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极相连。

7.根据权利要求3至6任一所述的开关电路，其特征在于，还包括：信号隔离器，所述信号隔离器连接于所述控制器与三极管开关单元电路之间。

8.根据权利要求7所述的开关电路，其特征在于，所述信号隔离器为光电耦合器、磁耦合器或电容耦合器；

所述信号隔离器输入端与所述控制器连接，所述信号隔离器的输出端分别与所述第一控制信号输入电路中的第二限流电阻输入端及第二控制信号输入电路中的第三限流电阻输入连接。

9.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，还包括负载，所述负载为继电器，所述继电器的线圈第一端与电源正极连接，所述继电器的线圈第二端与所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接，在所述继电器的线圈两端并联有续流二极管，所述续流二极管的阴极与所述继电器的线圈第一端连接，所述续流二极管的阳极与所述继电器的线圈第二端连接。

10.一种开关装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的开关电路。

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