專利名稱：一種直流固體電子開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種固體直流電子開(kāi)關(guān)，主要用 于工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)對(duì)直流電路的通斷進(jìn)行控制。
背景技術(shù)：
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常需要對(duì)電路通斷進(jìn)行控制，其一般通過(guò)I/O開(kāi)關(guān)量對(duì)繼電 器進(jìn)行通斷控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)工控領(lǐng)域常用的繼電器包括機(jī)械式和固體電子式兩種， 由于各自不同的工作原理也為其應(yīng)用帶來(lái)了不同的限制，主要問(wèn)題在于(1)采用機(jī)械式繼電器的主要問(wèn)題在于其開(kāi)關(guān)頻率較低，且TTL電平無(wú)法直接控 制其通斷，需要額外的驅(qū)動(dòng)電路；此外，采用機(jī)械式繼電器還會(huì)帶來(lái)噪聲和EMI輻射的問(wèn) 題。(2)采用固體電子式繼電器具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，但大電流通斷控制能力有限，實(shí) 現(xiàn)具有電氣隔離功能的電子開(kāi)關(guān)較為復(fù)雜，價(jià)格高，且抗干擾能力較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種既滿足大電流通斷 控制需求、又具有高速開(kāi)關(guān)特性和較高性價(jià)比的新型的直流固體電子開(kāi)關(guān)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為采用P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管 (P-MOSFET)作為開(kāi)關(guān)動(dòng)作執(zhí)行元件，結(jié)合柵極驅(qū)動(dòng)電路、電氣耦合單元、輸入保護(hù)電路和 門電路實(shí)現(xiàn)直流固體電子開(kāi)關(guān)。所述直流固體電子開(kāi)關(guān)采用柵極驅(qū)動(dòng)電路作為門電路和 P-MOSFET的中間環(huán)節(jié)，將經(jīng)由門電路生成的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制P-MOSFET通斷的 柵極控制信號(hào)，而電氣耦合單元和輸入保護(hù)電路作為門電路和多路輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)的中間 環(huán)節(jié)，將輸入的非隔離或隔離開(kāi)關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的門電路輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)門電路 整形后形成柵極驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)量輸入控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)直流電子開(kāi)關(guān)的功能。所述柵極驅(qū)動(dòng)電路包括電阻和NPN型三極管Ql。其中，三極管的基極通過(guò)電阻Rl 與控制信號(hào)VCO輸入端相連，發(fā)射極通過(guò)電阻R4與地平面GND相連，集電極的一端通過(guò)電 阻R3與輸入端電壓VIN相聯(lián)，另一端通過(guò)電阻R2輸出柵極控制電壓VOUT ；其工作原理為 當(dāng)VCO為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，通過(guò)電阻R3與R4的分壓，得到小于VIN的VOUT電 壓，當(dāng)(VOUT-VIN)滿足P-MOSFET的柵極導(dǎo)通門限電壓時(shí)，P-MOSFET也導(dǎo)通；當(dāng)VCO為低電 平時(shí)，三極管截止，此時(shí)VOUT = VIN，從而P-MOSFET的柵極電壓為0伏，導(dǎo)通條件不滿足， P-MOSFET截止，從而完成開(kāi)關(guān)量信號(hào)到P-MOSFET的柵極導(dǎo)通控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換。所述門電路由或非門與施密特觸發(fā)器串連而成。通過(guò)對(duì)來(lái)自輸入保護(hù)電路和電氣 耦合單元的控制開(kāi)關(guān)量進(jìn)行判優(yōu)和整形，形成開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。所述電氣耦合單元包括電阻和光耦。其中，電阻R5串連在開(kāi)關(guān)量輸入回路中，用 于限制輸入電流以滿足光耦導(dǎo)通條件，電阻R6接在光耦輸出端，一端下拉接地，另一端作 為轉(zhuǎn)換后的控制開(kāi)關(guān)量信號(hào)與門電路的輸入級(jí)相連，從而實(shí)現(xiàn)輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)與輸出控制開(kāi)關(guān)量信號(hào)的隔離。所述輸入保護(hù)電路包括電阻、穩(wěn)壓二極管、鉗位二極管和電容。其中，輸入開(kāi)關(guān)量 信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓電阻R7、R8得到幅值縮小的開(kāi)關(guān)量信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)與之并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V3 和鉗位二極管V4后，將輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)的電壓幅值限制在門電路的合理輸入范圍內(nèi)，并 聯(lián)在輸出端與地之間的電容則可濾除開(kāi)關(guān)量信號(hào)上地尖峰電壓，降低輸入開(kāi)關(guān)量噪聲對(duì)門 電路的影響，從而實(shí)現(xiàn)非隔離式的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的保護(hù)與限幅功能。根據(jù)本發(fā)明的直流固體電子開(kāi)關(guān)，既可實(shí)現(xiàn)隔離型的開(kāi)關(guān)量輸入控制也可實(shí)現(xiàn)非 隔離型的開(kāi)關(guān)量輸入控制，兩種方式都只需要單電源供電即可實(shí)現(xiàn)控制功能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下特點(diǎn)1.選用P-MOSFET作為通斷控制開(kāi)關(guān)，具有體積小，開(kāi)關(guān)速度快、電流密度大和低 導(dǎo)通電阻的特性，且可選擇型號(hào)多，可滿足不同開(kāi)關(guān)控制的需要。2.選用三極管和電阻構(gòu)成P-MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路，具有電路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，可 靠性高的特點(diǎn)。3.只需要單電源供電即可實(shí)現(xiàn)隔離或非隔離型的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)輸入，電路結(jié)構(gòu) 形式簡(jiǎn)單，成本低。4.通過(guò)輸入保護(hù)電路和門電路的組合，一方面擴(kuò)展了輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)的電壓范 圍，提供了過(guò)壓和反接保護(hù)，另一方面降低了由輸入噪聲引起的電子開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作可能性。5.選用門電路作為柵極驅(qū)動(dòng)電路的前級(jí)，確保了每次上電后即使輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào) 不存在，該電子開(kāi)關(guān)的輸出端也具有固定的通斷狀態(tài)，避免了誤觸發(fā)。本發(fā)明硬件電路簡(jiǎn)單，可靠性高，具有高速開(kāi)關(guān)特性和大電流控制能力以及較高 的性價(jià)比，可廣泛用于網(wǎng)絡(luò)、通訊、信息類家電、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成框2是本發(fā)明柵極驅(qū)動(dòng)電路工作原理3是本發(fā)明電氣耦合單元工作原理4是本發(fā)明輸入保護(hù)電路工作原理圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用P-MOSFET作為通斷控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路和必要的外圍 電路實(shí)現(xiàn)大電流、高速、高可靠性的直流電子固態(tài)開(kāi)關(guān)。參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例中，直流電子開(kāi)關(guān)由一路電氣耦合單元、一路輸入保護(hù)電路、或 非門D1、施密特觸發(fā)器D2、柵極驅(qū)動(dòng)電路、P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管(P-MOSFET)Vl和快恢 復(fù)二極管V2組成，硬件連接方法是電氣耦合單元的輸入端為CONl+和C0N1-，與隔離的 開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入相連，輸出端與Dl的輸入端相連；輸入保護(hù)電路的輸入端為C0N2，與非隔 離的開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入相連，輸出端與Dl的輸入端相連；兩個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)Dl判優(yōu)后再 經(jīng)過(guò)D2整形，得到柵極驅(qū)動(dòng)電路的控制輸入控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行變換，得到 P-MOSFET Vl的柵極控制信號(hào)，從而控制Vl的導(dǎo)通和關(guān)斷；V2并接在P-MOSFET Vl的源極 和漏極之間，用于吸收由于P-MOSFET Vl開(kāi)關(guān)引起的電壓尖峰。該電子開(kāi)關(guān)的電源供電只有一路VCC，既可實(shí)現(xiàn)隔離型的開(kāi)關(guān)量輸入控制也可實(shí)現(xiàn)非隔離型的開(kāi)關(guān)量輸入控制，簡(jiǎn)化 了電路結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)輸出端的正負(fù)極分別為VIN和VOUT ；電子開(kāi)關(guān)的負(fù)載特性完全取決于 P-MOSFET Vl 的特性。如圖2所示的柵極驅(qū)動(dòng)電路，本發(fā)明的實(shí)施例采用三極管Ql和電阻R1、R2、R3、R4 組成柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中Ql為NPN型三極管，其工作狀態(tài)為飽和導(dǎo)通或截止。Rl的作用為 限制Ql基極電流，其一端與輸入控制信號(hào)VCO端相連；R3的一端與電子開(kāi)關(guān)輸出正端VIN 相連，另一端與Ql的集電極和R2相連，R2為輸出限流電阻，其另一端為柵極輸出控制電壓 VOUT ；R3與R4構(gòu)成分壓電阻，當(dāng)Ql導(dǎo)通時(shí)，VOUT = VINXR4/ (R3+R4)，當(dāng)Ql截止時(shí)，VOUT =VIN，從而完成輸入電平控制信號(hào)到柵極驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換，R3與R4的取值與圖1中 P-M0SFETV1的柵極導(dǎo)通電壓門限相關(guān)。如圖3所示的電氣耦合單元，本發(fā)明的實(shí)例采用電阻R5、R6和光耦Q2組成電氣耦 合單元，其中R5作為限流電阻串聯(lián)在開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)回路中，CON+和CON-分別對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān) 量輸入信號(hào)的正負(fù)端，光耦Q2的輸出端集電極直接與邏輯電源VCC相連，發(fā)射極與電阻R6 和耦合后的信號(hào)量輸出VO相連，電阻R6的另一端與地平面相連，R6起下拉作用，保證輸出 的開(kāi)關(guān)量信號(hào)的低電平為0伏，高電平為(VCC-0.6)伏。如圖4所示的輸入保護(hù)電路，本發(fā)明的實(shí)施例采用電阻R7、R8、5. IV穩(wěn)壓二極管 V3、肖特基二極管V4和電容Cl組成輸入保護(hù)電路，其中R7、R8組成輸入分壓電路，將開(kāi)關(guān) 量輸入信號(hào)的電平限制在0 VIXR2/(R1+R2)伏之間，而并聯(lián)在R8兩端的V3和V4則將 該電壓進(jìn)一步限制在-0. 3 5伏以內(nèi)，為后級(jí)門電路的輸入提供了保護(hù)，電容Cl選取0. 1 微法，用于吸收高頻噪聲信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種直流固體電子開(kāi)關(guān)，其特征在于電子開(kāi)關(guān)由電氣耦合單元、輸入保護(hù)電路、門 電路、柵極驅(qū)動(dòng)電路、P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管Vl和快恢復(fù)二極管V2組成，其中P溝道絕 緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管Vl為開(kāi)關(guān)執(zhí)行元件；電氣耦合單元和輸入保護(hù)電路作為多路輸入開(kāi)關(guān)量 信號(hào)和門電路的中間環(huán)節(jié)，將輸入的非隔離或隔離開(kāi)關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的門電路輸入信 號(hào)，所述柵極驅(qū)動(dòng)電路作為門電路和P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管Vl的中間環(huán)節(jié)，將門電路生 成的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管Vl通斷的柵極控制信號(hào)，所述快 恢復(fù)二極管V2并聯(lián)在P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管Vl的源極和漏極之間，用于吸收Vl的開(kāi)關(guān) 引起的電壓尖峰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固體電子開(kāi)關(guān)，其特征在于所述門電路由或非門 Dl與施密特觸發(fā)器D2串連而成，對(duì)來(lái)自輸入保護(hù)電路和電氣耦合單元的控制開(kāi)關(guān)量進(jìn)行 判優(yōu)和整形，形成開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固體電子開(kāi)關(guān)，其特征在于所述柵極驅(qū)動(dòng)電路由 三極管Ql和電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成，其中Ql為NPN型三極管，三極管Ql的基極通過(guò)電阻 Rl與控制信號(hào)VCO輸入端相連，發(fā)射極通過(guò)電阻R4與地平面GND相連，集電極的一端通過(guò) 電阻R3與輸入端電壓VIN相聯(lián)，另一端通過(guò)電阻R2輸出柵極控制電壓VOUT ；當(dāng)控制信號(hào) VCO為高電平時(shí)，三極管Ql飽和導(dǎo)通，通過(guò)電阻R3與R4的分壓，得到小于VIN的VOUT電 壓，當(dāng)VOUT-VIN滿足P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管Vl的柵極導(dǎo)通門限電壓時(shí)，Vl導(dǎo)通；當(dāng)VCO 為低電平時(shí)，三極管Ql截止，此時(shí)VOUT = VIN, Vl截止；從而完成開(kāi)關(guān)量信號(hào)到P溝道絕緣 柵極場(chǎng)效應(yīng)管Vl柵極導(dǎo)通控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固體電子開(kāi)關(guān)，其特征在于所述電氣耦合單元由 光耦Q2和電阻R5、R6組成，其中，電阻R5串連在開(kāi)關(guān)量輸入回路中，用于限制輸入電流以 滿足光耦導(dǎo)通條件，電阻R6 —端接在光耦Q2輸出端，并與轉(zhuǎn)換后的控制開(kāi)關(guān)量信號(hào)及門電 路的輸入級(jí)相連，另一端下拉接地，實(shí)現(xiàn)輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)與輸出控制開(kāi)關(guān)量信號(hào)的隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固體電子開(kāi)關(guān)，其特征在于所述輸入保護(hù)電路由 電阻R7、R8、穩(wěn)壓二極管V3、鉗位二極管V4和電容Cl組成，輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓電阻 R7、R8得到幅值縮小的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，再經(jīng)過(guò)與R8并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V3和鉗位二極管V4，將 輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)的電壓幅值限制在門電路的輸入范圍內(nèi)，并聯(lián)在輸出端與地之間的電容 Cl濾除開(kāi)關(guān)量信號(hào)尖峰電壓，降低輸入開(kāi)關(guān)量噪聲對(duì)門電路的影響，從而實(shí)現(xiàn)非隔離式的 開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的保護(hù)與限幅功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流固體電子開(kāi)關(guān)，其特征在于所述直流固體電子開(kāi) 關(guān)設(shè)置一路電源供電，實(shí)現(xiàn)隔離式或非隔離式的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體直流電子開(kāi)關(guān)，基于P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管、柵極驅(qū)動(dòng)電路、門電路、輸入保護(hù)電路和電氣耦合單元實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)特性和較高性價(jià)比的直流固體電子開(kāi)關(guān)。該系統(tǒng)采用P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)控制元件，輸入控制信號(hào)為非隔離或隔離的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，分別通過(guò)輸入保護(hù)電路和電氣耦合單元進(jìn)入門電路進(jìn)行判優(yōu)整形，生成的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)再通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到控制P溝道絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通的柵極控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)速度和可靠性的直流固體電子開(kāi)關(guān)。本發(fā)明的硬件電路簡(jiǎn)單，可靠性高，具有高速開(kāi)關(guān)特性和大電流控制能力以及較高的性價(jià)比，可廣泛用于網(wǎng)絡(luò)、通訊、信息類家電、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H03K17/78GK102055453SQ20101062334
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者周勇軍, 孫向亮, 水冰, 荊濤 申請(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)第二○六研究所