本发明专利技术公开了一种高速开关常开型固体继电器。它含有一个发光元件，一个接受光信号后产生光生伏特效应的光伏二极管阵列，一个响应光伏输出的场效应晶体管。还含有一个ＮＰＮ三极管和一个ＰＮＰ三极管，它们的基极、发射极相并联后被连接于光伏二极管阵列和输出场效应晶体管栅极之间；ＮＰＮ三极管的基极、发射极与光伏二极管阵列、场效应晶体管栅极、源极构成串联回路。有一个二极管插入于ＮＰＮ三极管的集电极与场效应晶体管的漏极之间，其阴极与ＮＰＮ三极管的集电极和一个电容相连接，电容、ＮＰＮ三极管和二极管组成对场效应晶体管栅充电电路。本发明专利技术增设的场效应晶体管栅充放电电路，使这类固体继电器接通和关断动作速度大大加快。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到一种固体继电器。
技术介绍
如美国专利号480486介绍的固体继电器(solid state relays英文缩写SSR)快速关断电路，“将一个控制装置连接到光伏二极管阵列(photovoltaicdiode array英文缩写PVDA)与输出金属氧化物场效应晶体管(power metal oxidesemiconductor field effect transistor英文缩写MOSFET)的栅极之间，以便在出现光伏输出时处于高阻抗状态，在光伏输出消失时处于低阻抗状态，使充电电流从光伏二极管阵列流向输出金属氧化物场效应晶体管的栅极”。专利中所述控制装置即为输出金属氧化物场效应晶体管栅电荷的加速泄放电路，采用了N沟JFET(常闭器件)、二极管及NPN三极管、电阻、二极管等多种组合。美国专利号5151602，在由常闭型器件组成的对输出金属氧化物场效应晶体管栅加速放电电路中，增设了阻抗元件。与专利号为4804866电路相比较，阻抗元件设置后，这类继电器的前后沿变缓，接通和关断时间略长，但提高了继电器抗电气噪声的能力。又如美国专利号5278422，同样是常闭型器件组成的加速泄放电路，该加速泄放电路与输出金属氧化物场效应晶体管栅极间也插入了一个阻抗元件，但是改变了插入的位置，较5151602号专利，插入后的阻抗元件对栅充电时间无任何影响。该电路同时解决了继电器在关断时输出信号下降沿梯度趋缓、保证继电器接通时间不会因此而加长两个问题。这些电路，不断地改善着光MOS固体继电器的开关特性。上述专利实现了继电器关断时间降低，但接通时间仍为毫秒级，对于高速开关用继电器，显然存在差距。当然，作为广为应用的功率场效应器件自身具有高速开关性能。生产厂商推荐的金属氧化物场效应晶体管应用电路，当合理配置栅驱动与栅泄放电路时，金属氧化物场效应晶体管开关时间为μs以至ns量级，通常采用增加辅助电源、加大栅充电电流以降低金属氧化物场效应晶体管的开启时间；通过插入阻抗元件在金属氧化物场效应晶体管需要放电时使金属氧化物场效应晶体管的栅极和源极间泄放电阻减小，以加速关断。采用光伏驱动、金属氧化物场效应晶体管输出的固体继电器专用于加速接通的电路研究相对较少。其原因在于一般的这类固体继电器要求加速电路应简单且不应增设辅助电源。1991年AT&T公司微电子应用手册发表了题为《Build Your Own Solid-State Relay Using the LH1262 DualPhotovoltaic MOSFET Driver》一文(文中MOSFET为金属氧化物场效应晶体管)。文中介绍了采用备用电源用于快速接通，电路由一个光伏驱动器、并联在该通道的电容器和一个射极跟随器组成。该电路的缺点是其中备用电源占用了LH1262光伏驱动器中的一个通道，由光伏二极管阵列提供的能量也不适用于快速度的接通和关断场合，文章给出的最大开关频率为533Hz。1997年第47届美国继电器年会AT&T公司的贝尔实验室Craig BZiemer等人发表了《Discrete Solid-State Relays for Power and Motion ControlApplications》一文，文章介绍了一种采用双光伏输出具有加速接通和关断的固体继电器电路，其中加速接通电路采用由电容、高压NPN三极管、二极管组成的电路。该电路由继电器的输出电源提供能量实现对电容充电。充电电容再对金属氧化物场效应晶体管栅充电，电路中采用了由两个LED分别控制两个光伏驱动器，该两个光伏驱动器分别负责对金属氧化物场效应晶体管的栅充电和放电。该电路同样多占用了一个通道的光伏驱动器，同时文章所提供的输入电路不能保证光伏驱动器的两个发光元件中，当一个发光元件导通，另一个发光元件处于非导通状态，反之亦然。这就破坏了固体继电器正常的工作状态。改进其输入电路可以弥补其不足，结果会使该固体继电器的外围电路变得复杂。文章给出了这种结构组成的固体继电器允许开关重复频率为100KHz。文章最后介绍了AT&T公司的一种光耦合金属氧化物场效应晶体管驱动器ATT1800，没有介绍该电路细节。ATT1800与所介绍的电容增压技术结合，可以实现这类固体继电器高速接通和关断，经查目前没有ATT1800产品投入市场。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高速开关常开型固体继电器，以解决在采用单通道的光伏二极管阵列驱动、金属氧化物场效应晶体管输出的固体继电器结构形式下，借助于输出电源提供的能量实现对金属氧化物场效应晶体管栅加速充电；在光伏输出消失后通过内设器件的阻抗变化，实施对金属氧化物场效应晶体管栅加速放电的高速接通和高速关断控制等问题。本专利技术所述的一种高速开关常开型固体继电器，它包括一个接在继电器输入端子之间的发光元件；一个耦合发光元件光信号时，产生光伏输出的光伏二极管阵列；一个或两个接在继电器输出端子之间的常开型金属氧化物场效应晶体管； 一个由充电电容、NPN三极管和二极管组成的加速接通电路，其中NPN三极管的发射极接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极通过一个二极管与继电器的第一输出端子连接，基极与光伏二极管阵列的第一端连接，所述充电电容接在所述二极管的负极与继电器第二输出端子之间；一个由PNP晶体三极管组成的加速关断电路，其中PNP晶体三极管的发射极接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极接光伏二极管阵列的第二端和继电器第二输出端子，基极接光伏二极管阵列的第一端。如上所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于在输出常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极和源极之间连接一个稳压齐纳二极管。如上所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于接在继电器输出端子之间的常开型金属氧化物场效应晶体管为两个，它们的源极相连后形成继电器第三个输出端子，漏极分别构成第一、二输出端子，所述第一、二输出端子与所述充电电容的充电端分别通过二极管连接。如上所述的一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于金属氧化物场效应晶体管为N道沟增强型。本专利技术与传统的固体继电器相比，具有如下优点和积极效果1、本专利技术是对输出金属氧化物场效应晶体管栅充电电路和栅放电(即所述阻抗变换)电路，这两个装置设置了两个不同导电类型的三极管，当一个器件处于导通状态时，另外一个器件被其反偏呈高阻状态，反之亦然，实现对继电器的加速接通加速关断。而对这两装置实施控制的是所述光伏二极管阵列输出的改变。2、本专利技术是加速接通和加速关断装置共用一个NPN三极管的EB结，而且该NPN三极管和EB结对于光伏二极管阵列的输出损耗小。即当有光伏输出时，通过该EB结，需要而且只要求0.6V(NPN三极管BE结压降)，光伏二极管阵列输出就被加于金属氧化物场效应晶体管栅极。这样合理设置光伏二极管的数量，可以保证金属氧化物场效应晶体管的栅驱动。3、和Craig B Ziemer等人介绍的双光伏驱动器相比较，本专利技术需要的输入控制电路简单，只需要提供规定的接通电流(一般5～20mA)和关断电压(一般小于1V)就能保证继电器正常工作。本专利技术所述的固体继电器允许开关重复频率约为20KHz。附图说明图1是本专利技术所述高速开关常本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高速开关常开型固体继电器，其特征在于它包括：一个接在继电器输入端子之间的发光元件；一个耦合发光元件光信号时，产生光伏输出的光伏二极管阵列；一个或两个接在继电器输出端子之间的常开型金属氧化物场效应晶体管；一 个由充电电容、ＮＰＮ三极管和二极管组成的加速接通电路，其中ＮＰＮ三极管的发射极接常开型驱动金属氧化物场效应晶体管的栅极，集电极通过一个二极管与继电器的第一输出端子连接，基极与光伏二极管阵列的第一端连接，所述充电电容接在所述二极管的负极与继电器第二输出端子之间；一个由ＰＮＰ晶体三极管和ＮＰＮ三极管的发射级和基极组成的加速关断电路，其中ＰＮＰ晶体三极管的发射极接常开型金属氧化物场效应晶体管的栅极，发射极接光伏二极管阵列的第二端和继电器第二输出端子，基极接光伏二极管阵列的第 一端。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李长寿，曾志清，杨延旭，
申请(专利权)人：北京市科通电子继电器总厂，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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