一种直流固体电子开关制造技术

本发明专利技术涉及一种固体直流电子开关，基于Ｐ沟道绝缘栅极场效应管、栅极驱动电路、门电路、输入保护电路和电气耦合单元实现高速开关特性和较高性价比的直流固体电子开关。该系统采用Ｐ沟道绝缘栅极场效应管作为开关控制元件，输入控制信号为非隔离或隔离的开关量信号，分别通过输入保护电路和电气耦合单元进入门电路进行判优整形，生成的开关量控制信号再通过栅极驱动电路进行转换，得到控制Ｐ沟道绝缘栅极场效应管导通的栅极控制信号，从而实现高开关速度和可靠性的直流固体电子开关。本发明专利技术的硬件电路简单，可靠性高，具有高速开关特性和大电流控制能力以及较高的性价比，可广泛用于网络、通讯、信息类家电、工业自动化等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业自动化控制
，尤其涉及一种固体直流电子开关，主要用 于工业控制领域内对直流电路的通断进行控制。
技术介绍
在工业控制系统中，常需要对电路通断进行控制，其一般通过I/O开关量对继电 器进行通断控制来实现。目前，国内工控领域常用的继电器包括机械式和固体电子式两种， 由于各自不同的工作原理也为其应用带来了不同的限制，主要问题在于(1)采用机械式继电器的主要问题在于其开关频率较低，且TTL电平无法直接控 制其通断，需要额外的驱动电路；此外，采用机械式继电器还会带来噪声和EMI辐射的问 题。(2)采用固体电子式继电器具有较高的开关频率，但大电流通断控制能力有限，实 现具有电气隔离功能的电子开关较为复杂，价格高，且抗干扰能力较差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种既满足大电流通断 控制需求、又具有高速开关特性和较高性价比的新型的直流固体电子开关。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为采用P沟道绝缘栅极场效应管 (P-MOSFET)作为开关动作执行元件，结合栅极驱动电路、电气耦合单元、输入保护电路和 门电路实现直流固体电子开关。所述直流固体电子开关采用栅极驱动电路作为门电路和 P-MOSFET的中间环节，将经由门电路生成的开关量控制信号转换为控制P-MOSFET通断的 栅极控制信号，而电气耦合单元和输入保护电路作为门电路和多路输入开关量信号的中间 环节，将输入的非隔离或隔离开关量信号转换为统一的门电路输入信号，该信号经门电路 整形后形成栅极驱动电路的开关量输入控制信号，实现直流电子开关的功能。所述栅极驱动电路包括电阻和NPN型三极管Ql。其中，三极管的基极通过电阻Rl 与控制信号VCO输入端相连，发射极通过电阻R4与地平面GND相连，集电极的一端通过电 阻R3与输入端电压VIN相联，另一端通过电阻R2输出栅极控制电压VOUT ；其工作原理为 当VCO为高电平时，三极管饱和导通，通过电阻R3与R4的分压，得到小于VIN的VOUT电 压，当(VOUT-VIN)满足P-MOSFET的栅极导通门限电压时，P-MOSFET也导通；当VCO为低电 平时，三极管截止，此时VOUT = VIN，从而P-MOSFET的栅极电压为0伏，导通条件不满足， P-MOSFET截止，从而完成开关量信号到P-MOSFET的栅极导通控制信号的转换。所述门电路由或非门与施密特触发器串连而成。通过对来自输入保护电路和电气 耦合单元的控制开关量进行判优和整形，形成开关量控制信号。所述电气耦合单元包括电阻和光耦。其中，电阻R5串连在开关量输入回路中，用 于限制输入电流以满足光耦导通条件，电阻R6接在光耦输出端，一端下拉接地，另一端作 为转换后的控制开关量信号与门电路的输入级相连，从而实现输入开关量信号与输出控制开关量信号的隔离。所述输入保护电路包括电阻、稳压二极管、钳位二极管和电容。其中，输入开关量 信号经过分压电阻R7、R8得到幅值缩小的开关量信号后，再经过与之并联的稳压二极管V3 和钳位二极管V4后，将输出的开关量信号的电压幅值限制在门电路的合理输入范围内，并 联在输出端与地之间的电容则可滤除开关量信号上地尖峰电压，降低输入开关量噪声对门 电路的影响，从而实现非隔离式的开关量输入信号的保护与限幅功能。根据本专利技术的直流固体电子开关，既可实现隔离型的开关量输入控制也可实现非 隔离型的开关量输入控制，两种方式都只需要单电源供电即可实现控制功能。本专利技术与现有技术相比较，具有如下特点1.选用P-MOSFET作为通断控制开关，具有体积小，开关速度快、电流密度大和低 导通电阻的特性，且可选择型号多，可满足不同开关控制的需要。2.选用三极管和电阻构成P-MOSFET的栅极驱动电路，具有电路结构形式简单，可 靠性高的特点。3.只需要单电源供电即可实现隔离或非隔离型的开关量控制信号输入，电路结构 形式简单，成本低。4.通过输入保护电路和门电路的组合，一方面扩展了输入开关量信号的电压范 围，提供了过压和反接保护，另一方面降低了由输入噪声引起的电子开关误动作可能性。5.选用门电路作为栅极驱动电路的前级，确保了每次上电后即使输入开关量信号 不存在，该电子开关的输出端也具有固定的通断状态，避免了误触发。本专利技术硬件电路简单，可靠性高，具有高速开关特性和大电流控制能力以及较高 的性价比，可广泛用于网络、通讯、信息类家电、工业自动化等领域。附图说明图1是本专利技术的系统组成框2是本专利技术栅极驱动电路工作原理3是本专利技术电气耦合单元工作原理4是本专利技术输入保护电路工作原理图具体实施例方式本专利技术采用P-MOSFET作为通断控制开关，通过设计栅极驱动电路和必要的外围 电路实现大电流、高速、高可靠性的直流电子固态开关。参见图1，本实施例中，直流电子开关由一路电气耦合单元、一路输入保护电路、或 非门D1、施密特触发器D2、栅极驱动电路、P沟道绝缘栅极场效应管(P-MOSFET)Vl和快恢 复二极管V2组成，硬件连接方法是电气耦合单元的输入端为CONl+和C0N1-，与隔离的 开关量信号输入相连，输出端与Dl的输入端相连；输入保护电路的输入端为C0N2，与非隔 离的开关量信号输入相连，输出端与Dl的输入端相连；两个开关量信号经过Dl判优后再 经过D2整形，得到栅极驱动电路的控制输入控制信号，经过栅极驱动电路进行变换，得到 P-MOSFET Vl的栅极控制信号，从而控制Vl的导通和关断；V2并接在P-MOSFET Vl的源极 和漏极之间，用于吸收由于P-MOSFET Vl开关引起的电压尖峰。该电子开关的电源供电只有一路VCC，既可实现隔离型的开关量输入控制也可实现非隔离型的开关量输入控制，简化 了电路结构。开关输出端的正负极分别为VIN和VOUT ；电子开关的负载特性完全取决于 P-MOSFET Vl 的特性。如图2所示的栅极驱动电路，本专利技术的实施例采用三极管Ql和电阻R1、R2、R3、R4 组成栅极驱动电路，其中Ql为NPN型三极管，其工作状态为饱和导通或截止。Rl的作用为 限制Ql基极电流，其一端与输入控制信号VCO端相连；R3的一端与电子开关输出正端VIN 相连，另一端与Ql的集电极和R2相连，R2为输出限流电阻，其另一端为栅极输出控制电压 VOUT ；R3与R4构成分压电阻，当Ql导通时，VOUT = VINXR4/ (R3+R4)，当Ql截止时，VOUT =VIN，从而完成输入电平控制信号到栅极驱动控制信号的转换，R3与R4的取值与图1中 P-M0SFETV1的栅极导通电压门限相关。如图3所示的电气耦合单元，本专利技术的实例采用电阻R5、R6和光耦Q2组成电气耦 合单元，其中R5作为限流电阻串联在开关量输入信号回路中，CON+和CON-分别对应开关 量输入信号的正负端，光耦Q2的输出端集电极直接与逻辑电源VCC相连，发射极与电阻R6 和耦合后的信号量输出VO相连，电阻R6的另一端与地平面相连，R6起下拉作用，保证输出 的开关量信号的低电平为0伏，高电平为(VCC-0.6)伏。如图4所示的输入保护电路，本专利技术的实施例采用电阻R7、R8、5. IV稳压二极管 V3、肖特基二极管V4和电容Cl组成输入保护电路，其中R7、R8组成输入分压电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流固体电子开关，其特征在于：电子开关由电气耦合单元、输入保护电路、门电路、栅极驱动电路、Ｐ沟道绝缘栅极场效应管Ｖ１和快恢复二极管Ｖ２组成，其中Ｐ沟道绝缘栅极场效应管Ｖ１为开关执行元件；电气耦合单元和输入保护电路作为多路输入开关量信号和门电路的中间环节，将输入的非隔离或隔离开关量信号转换为统一的门电路输入信号，所述栅极驱动电路作为门电路和Ｐ沟道绝缘栅极场效应管Ｖ１的中间环节，将门电路生成的开关量控制信号转换为控制Ｐ沟道绝缘栅极场效应管Ｖ１通断的栅极控制信号，所述快恢复二极管Ｖ２并联在Ｐ沟道绝缘栅极场效应管Ｖ１的源极和漏极之间，用于吸收Ｖ１的开关引起的电压尖峰。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：荆涛，孙向亮，周勇军，水冰，
申请(专利权)人：中国兵器工业第二○六研究所，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]