CN218968862U - 一种基于微机电系统器件的功率继电器 - Google Patents
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Abstract
一种基于微机电系统器件的功率继电器，包括控制部分和电源部分，电源部分包括MEMS开关和MOSSFET，MEMS开关与MOSFET并联，将开关过程中的损耗从MEMS开关迁移到了MOSFET，MOSFET在MEMS开关的导通和关断转换期间导通，使MEMS开关电压为零电压；控制部分用于控制MEMS开关和MOSSFET的导通和关断操作；控制部分还设置有隔离器与电源部分隔离。与传统的SSR和ESR相比，本实用新型使用MEMS开关,基于独特的结构，MEMS的机械接触减小了通态电阻，并能够实现物理隔离；电压源栅极控制功能则避免了笨重的线圈，减小了体积，能够同时实现小型化的尺寸和理想的开关性能，结合了MOSFET和MEMS开关的优点，解决了开关能量问题，使得微机电技术可以用于功率继电器应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种继电器装置，尤其涉及一种基于微机电系统器件的功率继电器，属于电控器件领域。
背景技术
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一，目前常见的有电磁继电器、固态继电器和微机电继电器，其中，电磁继电器的导通电阻较低，但由于采用机械结构，存在接触不良和机械磨损问题，此外，体积较大的感应线圈导致EM继电器的尺寸难以减小，功耗难以降低。而固态继电器利用半导体器件作为输出级，实现了更紧凑的尺寸，但其导通电阻和漏电流更大。微机电系统（MEMS,Micro-Electro-Mechanical-System）技术融合了机械连接结构和电压控制半导体技术，常用于精确测量、医疗器械和射频通信等应用。但在应用于大功率场合时，开关转换期间的功耗会对微机电系统器件造成损害，这限制了MEMS开关的使用。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于微机电系统器件的功率继电器装置，其技术方案如下：
一种基于微机电系统器件的功率继电器，包括控制部分和电源部分，电源部分包括MEMS开关和MOSSFET， MEMS开关与MOSFET并联，将开关过程中的损耗从MEMS开关迁移到了MOSFET，MOSFET在MEMS开关的导通和关断转换期间导通，使MEMS开关电压为零电压；控制部分用于控制MEMS开关和MOSSFET的导通和关断操作；所述控制部分还设置有隔离器与电源部分隔离。
控制部分设置有5V辅助电压输入。
隔离器包括功率隔离器和信号隔离器。
信号隔离器通过控制器与电源连接。
功率隔离器与电源部分连接。
电源部分还包括有5V电源、10V电源和100V电源，所述5V电源用来驱动控制器实现通断控制逻辑，所述10V电源用来驱动MOSFET，所述100V电源来驱动MEMS开关。
与现有技术相比，本实用新型的优点及有益效果在于：与传统的SSR和ESR相比，本实用新型使用MEMS开关,基于独特的结构，微机电系统的机械接触减小了通态电阻，并能够实现物理隔离；电压源栅极控制功能则避免了笨重的线圈，减小了体积，能够同时实现小型化的尺寸和理想的开关性能。应用时，频率最大为10kHz，并且在大多数情况下它不会在开关模式下工作，MOSFET的开关损耗很低，可以被忽略。本实用新型结合了MOSFET和MEMS开关的优点，解决了开关能量问题，减少并转移开关能量损耗以保护微机电器件，使得微机电技术可以用于功率继电器应用。
附图说明
图1为带有并联MOSFET的MEMS开关继电器；
图2为控制电压与开关信号隔离电路；
图3为MEMS继电器开通过程波形；
图4为MEMS继电器关断过程波形；
图5为MEMS继电器过电流保护过程波形。
具体实施方式
结合附图和具体实施例进一步对本实用新型的技术方案进行阐述，以下内容仅是本实用新型的具体实施例，并不限制本实用新型的使用方式。
实施例1
如图1所示，一种基于微机电系统器件的智能继电器，MOSFET（金属氧化物半导体场效应管Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）与MEMS开关并联，MOSFET在MEMS开关的导通和关断转换期间导通，从而将开关过程中的损耗从MEMS开关迁移到了MOSFET，保证MEMS开关电压为零电压（小于0.5V）。
实施例2
一种基于微机电系统器件的智能继电器的开通过程为模态1~模态5：
模态1：收到打开继电器的控制信号，在短暂的延迟时间后，首先导通MOSFET；
模态2：当MOSFET导通时，MEMS开关两端的电压开始下降，流过MOSFET的负载电流增加；
模态3：经过一个非常小的时间延迟后，MOSFET电流稳定在负载电流；
模态4：MEMS开关打开，在这个导通过程中，MEMS开关实现了零电压导通；
模态5：MOSFET关断，所有负载电流都流过MEMS开关，继电器开通过程完成；
实施例3
一种基于微机电系统器件的智能继电器的关断过程为模态6~模态10：
模态6：都到关断继电器的控制信号，MOSFET栅极电压变高以首先导通MOSFET；
模态7：当MOSFET导通时，MEMS开关和MOSFET都在传导负载电流；
模态8：MEMS开关关闭，因为MOSFET仍在导通，负载电流流过MOSFET，在这个关断过程中，MEMS开关实现了零电压关断；
模态9：经过一个非常小的时间延迟后，MOSFET电流稳定在负载电流；
模态10：MOSFET关断，继电器关断过程完成。
实施例4
如图2所示，为了实现一种基于微机电系统器件的智能继电器的导通和关断操作，需要一个控制信号输入电路来控制MEMS开关和MOSFET。在继电器中，5V辅助电压输入位于控制侧，MEMS开关和MOSFET位于电源电路侧，控制电路侧与主功率电源电路侧间应进行隔离。
当控制电路侧给定开关信号时，电源侧的控制器为MEMS开关和MOSFET生成所需的门极信号。为了实现继电器的所有控制功能，电源侧需要三个电源：5V电源驱动控制器来实现继电器的通断控制逻辑；10V电源驱动MOSFET；100V电压源来驱动MEMS开关。因此，需要隔离电路将开关控制信号电压传递给MEMS开关和MOSFET，并将5V控制电压传递给5V、12V和100V电源，为控制器、MOSFET和MEMS开关驱动电路供电。
实施例5
一种基于微机电系统器件的智能继电器，使用小型并联MEMS开关作为功率元件，功率继电器的总尺寸远小于具有大电感线圈的EMR和需要庞大的散热器的SSR。如表1中的对比结果所示，微机电继电器可以实现低导通损耗，快速响应，微型体积和更长的使用寿命。
表1：电磁继电器、固态继电器和微机电继电器对比
| 属性 | 电磁继电器 | 固态继电器 | 微机电继电器 |
| 导通电阻 | <20mΩ | <100mΩ | <20mΩ |
| 开关时间 | >20ms | >1ms | <10us |
| 漏电流 | 75pA@200V | 0.4mA@200V | 75pA@200V |
| 使用寿命 | <1千万 | <1亿 | >30亿 |
实施例6
对一种基于微机电系统器件的智能继电器进行测试，来验证其稳态和开关转换工作的性能。继电器的主功率电路位于电路板正面，并联的MOSFET安装在MEMS开关的背面。
如图3所示，1通道显示MOSFET的栅极电压， 2通道是MEMS开关门信号，3曲线是通过继电器的总负载电流，4曲线是输入和输出端子之间的电压。MOSFET在MEMS开关之前导通，并在MEMS栅极变高之前创建零电压条件。因此，控制信号以预期的方式运行，以保证MOSFET在MEMS开关开启时开启。
实施例7
如图4所示， 200V/2A关断操作可以按照图中预期的方式安全地执行。MOSFET先于MEMS开关导通，保证MEMS开关的关断电压接近0V。继电器中添加了一个缓冲电路，以吸收寄生电感中存储的能量，因此电压和电流的上升下降速度比较缓慢。
实施例8
在1kHz开关模式下进行功率循环测试，继电器在轻载条件下经受住了100万次开关转换。测试证明了继电器的可靠性。此特性同样使快速过电流保护成为可能：当检测到过电流时，MEMS开关可在20us内关闭。图5所示为过流保护程序中的波形，一旦负载电流达到阈值，MOSFET就会开启，然后MEMS开关在10us内关闭。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于微机电系统器件的功率继电器，其特征在于包括控制部分和电源部分，所述电源部分包括MEMS开关和MOSFET，所述MEMS开关与MOSFET并联，将开关过程中的损耗从MEMS开关迁移到了MOSFET，所述MOSFET在MEMS开关的导通和关断转换期间导通，使MEMS开关电压为零电压；所述控制部分用于控制MEMS开关和MOSFET的导通和关断操作；所述控制部分还设置有隔离器与电源部分隔离。
2.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统器件的功率继电器，其特征在于所述控制部分设置有5V辅助电压输入。
3.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统器件的功率继电器，其特征在于所述隔离器包括功率隔离器和信号隔离器。
4.根据权利要求3所述的一种基于微机电系统器件的功率继电器，其特征在于所述信号隔离器通过控制器与电源3连接。
5.根据权利要求3所述的一种基于微机电系统器件的功率继电器，其特征在于所述功率隔离器与电源部分连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统器件的功率继电器，其特征在于电源部分还包括有5V电源、10V电源和100V电源，所述5V电源用来驱动控制器实现通断控制逻辑，所述10V电源用来驱动MOSFET，所述100V电源来驱动MEMS开关。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202223011324.4U CN218968862U (zh) | 2022-11-13 | 2022-11-13 | 一种基于微机电系统器件的功率继电器 |
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Publications (1)
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| CN218968862U true CN218968862U (zh) | 2023-05-05 |
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ID=86153731
Family Applications (1)
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| CN202223011324.4U Active CN218968862U (zh) | 2022-11-13 | 2022-11-13 | 一种基于微机电系统器件的功率继电器 |
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2022
- 2022-11-13 CN CN202223011324.4U patent/CN218968862U/zh active Active
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