CN104079280A - 一种高耐压的固态继电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固态继电器，特别是一种光耦控制的固态继电器。本发明公开了一种具有高耐压的固体继电器，包括顺次串联的输入电路（21）、光耦电路（22）、输出开关电路（23）；其中光耦电路（22）由两个光耦元件（P1和P2），输出开关电路（23）由两个单向可控硅（T1和T2）组成。本发明的具有高耐压的固体继电器用于驱动功率器件的电子开关，以毫安级的微小信号控制大功率负载的导通与断开。

Description

一种高耐压的固态继电器

技术领域

本发明涉及一种固态继电器，特别是一种光耦控制的固态继电器。

背景技术

固体继电器是一种以可控硅、MOS管、IGBT等功率器件作为开关，以光耦或者电磁继电器等隔离开关作为驱动功率器件的电子开关，以毫安级的微小信号控制大功率负载的导通与断开。在以往的固态继电器的设计中，其光耦部分一般使用的是双向可控硅来实现对交流电的双向导通，例如发明专利CN 102594319 A中指出的一种双灯指示固态继电器，在光耦触发控制电路使用的是两个光耦器件串联的形式，其中光耦器件中使用的是双向可控硅型的光耦。但由于双向可控硅型的光耦，受限于光耦的体积以及双向可控硅本身的性能，光耦的耐压能力以及抗干扰能力比功率器件的低，无法发挥功率器件的最高性能，需要按照光耦的最低性能来设计工作电路。当固体继电器在工作中，交流电源上出现电冲击时（瞬间大电流，瞬间大电压），并超过光耦的所能承受的最大电压上升率或者电流上升率，光耦极易失效直通。目前市场上双向可控硅型光耦的耐压最高为800V，对于普通环境可以适用，但是在条件恶劣的环境下由于触发控制电路中的双向可控硅型的光耦耐压与抗干扰能力的不足，极易在电冲击下使光耦内部双向可控硅失效直通，并导致功率组件可控硅误触发，从而引发严重的安全事故。如应用在加热设备中的固体继电器发生上述失效后将使加热设备持续加热并最终因过热损坏，严重的还将引发火灾；当应用在电机类负载中时，电机突然启动工作，也将引发各种安全事故。

为了提高固态继电器的耐压能力，已经提出了使用各种改进电路来提升固态继电器耐压能力的措施。例如发明专利CN 103095262 A中提出一种固态继电器输出端的缓冲电路，通过缓冲电路能够保护固态继电器在遇到电冲击时不被击穿烧坏。但是，这种缓冲电路的设计增加了电路设计的复杂度并且不利于在传统固态继电器电路的基础上进行升级改进。

发明内容

针对上述现有技术，本发明解决的技术问题是提供一种运用单向可控硅型的光耦作为触发控制电路的耐高压的固态继电器。

为解决上述问题，本发明的固态继电器包括：输入电路，根据实际的需要给光耦触发控制电路提供必要的触发信号；光耦触发控制电路，接收来自输入电路的触发信号，根据接收到的触发信号的类型来判定光耦触发控制电路的导通状态，单向的控制输出开关电路的导通与断开；输出开关电路，与负载设备相连，控制负载电路的导通与断开；所述的光耦触发控制电路由两个光耦器件P1和P2组成；所述的光耦触发控制电路中的光耦器件由发光二极管及光敏单向可控硅构成；所述的光耦器件P1和P2中的两个发光二极管串联在输入电路中；所述的光耦器件P1和P2中的两个光敏单向可控硅器件反向并联连接，光耦器件P1中的光敏单向可控硅的阴极与电阻R5串联后单向可控硅T2的门极相连，光耦器件P2中的光敏单向可控硅的阴极与单向可控硅T1的门极相连，或者将电阻R5串接在光耦器件P2中的光敏单向可控硅的阴极与单向可控硅T1的门极相连的连接线上；所述的输出开关电路由两个单向可控硅构成；所述的两个单向可控硅T1与T2反向并联并引出线到输出端O1与输出端O2后与负载串联。

在上述技术方案中，将传统的光耦触发控制电路中的双向可控硅光耦器件替换成单向可控硅光耦器件，这种替换能够使传统型的继电器的耐压程度提高到1000V以上。光耦器件P1的导通控制单向可控硅T2的导通，光耦器件P2的导通控制单向可控硅T1的导通，由于单向可控硅T1与单向可控硅T2为反向并联连接，对应于负载端的交流电的正负两个半波周期时单向可控硅T1与单向可控硅T2实现一个导通一个截止的分别状态，实现交流电的传输。同时，将传统的双向可控硅型光耦电路改进为这种高耐压的单向可控硅型光耦电路只需将传统的双向可控硅光耦器件替换为单向可控硅光耦器件，同时现有的光耦工艺就可以做出单向可控硅光耦，并不需要进行技术攻坚，并且这种改进不需要增加额外的电路只需改变传统电路的走线就能达到此效果，节约了成本。

作为本发明的进一步改进，所述的输出开关电路23中可以在单向可控硅T1增加防误触发电路231，单向可控硅T2上增加防误触发电路232；所述的防误触发电路231由一个二极管D3和一个电阻R3并联组成，所述的防误触发电路232由一个二极管D4和一个电阻R4并联组成；所诉的防误触发电路231并联在单向可控硅T1的阴极和门极间，二极管D3的阴极与单向可控硅T1的门极相连，二极管D3的阳极与单向可控硅T2的阴极相连；所诉的防误触发电路232并联在单向可控硅T2的阴极和门极间，二极管D4的阴极与单向可控硅T2的门极相连，二极管D4的阳极与单向可控硅T2的阴极相连。通过增加防误触发电路的方式可以防止输出电路中的单向可控硅T1和单向可控硅T2发生误触发的可能性。

作为本发明的进一步改进，所述的输出电路23的末端并联一个阻容吸收回路233。所述的阻容吸收回路233由电容C1串联电阻R6后并联压敏电阻V1构成。通过这种连接方式可以提高单向可控硅T1和单向可控硅T2在电冲击下的生存能力。

作为本发明的进一步改进，所述的输入电路21中增加一个指示电路211；所述的指示电路由限流电阻R2和发光二极管D2构成；将限流电阻R2与发光二极管D2串联后并联在二极管D1与限流电阻R1的节点处。通过发光二极管D2的发光来指示光耦触发控制电路的导通状态。

作为本发明的进一步改进，所述的输入电路21的输入端上正向串联一个二极管D1，当输入信号反向过大时可以保护发光二极管不被击穿。

附图说明

图1 是本发明第一种实施例的电路结构示意图。

图2 是本发明第二种实施例的电路结构示意图。

图3 是本发明第三种实施例的电路结构示意图。

图4 是本发明第四种实施例的电路结构示意图。

图5 是本发明第五种实施例的电路结构示意图。

图6 是本发明第六种实施例的电路结构示意图。

图7 是本发明第七种实施例的电路结构示意图。

图8 是本发明第八种实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1：

本发明的固态继电器的第一种实施方式如图1所示，包括输入电路21、光耦触发控制电路22、输出开关电路23。

输入电路21接收输入端控制信号，输出控制光耦触发控制电路所需的触发信号。根据输入触发信号的不同用来控制光耦触发控制电路的导通与断开。输入电路21在输入端I1或输入端I2上串联一个限流电阻R1后作为输入电路21的输出端与下一级光耦触发控制电路22的输入端连接。

光耦触发控制电路22由两个光耦器件P1、P2构成。根据输入电路21给出的触发信号类型，光耦触发控制电路22单向控制着输出开关电路23的导通与断开。所述的光耦器件P1和P2中都包含有一个发光二极管和一个光敏单向可控硅器件。其中光耦器件P1中的发光二极管与光耦器件P2中的发光二极管串联连接后作为光耦触发控制电路22的输入端与输入电路21的输出端串联。光耦器件P1中的光敏单向可控硅与光耦器件P2中的光敏单向可控硅反向并联，并分别从两只光敏单向可控硅的阴极引出两条连接线作为光耦触发控制电路22的输出端连接下一级输出开关电路23。

输出开关电路23由两个单向可控硅T1和T2及电阻R5构成。单向可控硅T1与单向可控硅T2反向并联，单向可控硅T1和单向可控硅T2的门级分别引出两条线作为输出开关电路23的输入端与光耦触发控制电路22的输出端相连。单向可控硅T1与单向可控硅T2反向并联并从并联的两个端点作为输出开关电路23的输出端O1和输出端O2端，用来与负载设备相连。光耦器件P1中的光敏单向可控硅的阴极与电阻R5串联后与单向可控硅T2的门极相连，光耦器件P2中的光敏单向可控硅的阴极与单向可控硅T1的门极相连；或者将电阻R5串接在光耦器件P2中的光敏单向可控硅的阴极与单向可控硅T1的门极相连的连接线上。单向可控硅T1与单向可控硅T2反向并联是为了能够使负载端使用交流电时，单向可控硅T1与单向可控硅T2能够分别在交流电的正半周和负半周中分别导通，实现交流电的传输。

当输入电路输入高电平使光耦触发控制电路导通且输出电路O1端交流电为正半周时，光耦器件P1的发光二极管发光使光耦器件P1中的光敏单向可控硅的门极吸收光能处于高电位，输出端O1处于交流正半周使光耦器件P1中的光敏单向可控硅的阳极电位高于阴极电位，光耦器件P2中的光敏单向可控硅的阳极电位低于阴极电位，所以此时光耦器件P1导通，光耦器件P2截止。由于光耦器件P1的导通使得单向可控硅T2的门极电位高于阴极电位，且输出端O1处于交流电正半周使得单向可控硅T2的阳极电位高于阴极电位，所以此时单向可控硅T2导通。由于单向可控硅T1的阳极电位低于阴极电位，所以此时单向可控硅T1截止。

当输入电路输入高电平使光耦触发控制电路导通且输出电路O2端交流电为正半周时，光耦器件P2的发光二极管发光使光耦器件P2中的光敏单向可控硅的门极吸收光能处于高电位，输出端O2处于交流电正半周使光耦器件P2中的光敏单向可控硅的阳极电位高于阴极电位，光耦器件P1中的光敏单向可控硅的阳极电位低于阴极电位，所以此时光耦器件P2导通，光耦器件P1截止。由于光耦器件P2的导通使得单向可控硅T1的门极电位高于阴极电位，且输出端O2处于交流电正半周使得单向可控硅T1的阳极电位高于阴极电位，所以此时单向可控硅T2导通。由于单向可控硅T2的阳极电位低于阴极电位，所以此时单向可控硅T2截止。

当输入电路输入低电平使光耦触发控制电路断开时，光耦器件P1和光耦器件P2中的光敏单向可控硅的门极都无法吸收光能处于高电位，此时输出电路的负载输入时，单向可控硅T1与单向可控硅T2导通的两个条件：门极有触发电流通过；阳极电位高于阴极电位，若无法同时满足，单向可控硅T1与单向可控硅T2均无法导通，输出电路处于断开状态。

通过如上所述控制光耦触发控制电路的通断就能控制输出开关电路的通断，同时输出开关电路可以满足负载端为交流电的传输要求。

实施例2：

优选的，如图2所示，作为本发明的进一步改进，实施例1的固态继电器电路结构的输出开关电路23中可以在单向可控硅T1增加防误触发电路231，单向可控硅T2上增加防误触发电路232；所述的防误触发电路231由一个二极管D3和一个电阻R3并联组成，所述的防误触发电路232由一个二极管D4和一个电阻R4并联组成；所述的防误触发电路231并联在单向可控硅T1的阴极和门极间，二极管D3的阴极与单向可控硅T1的门极相连，二极管D3的阳极与单向可控硅T2的阴极相连；所述的防误触发电路232并联在单向可控硅T2的阴极和门级间，二极管D4的阴极与单向可控硅T2的门极相连，二极管D4的阳极与单向可控硅T2的阴极相连。通过增加防误触发电路的方式可以防止输出电路中的单向可控硅T1和单向可控硅T2发生误触发的可能性；在输入电路21的输入端I1或输入端I2串联一个二极管D1，其连接方向与光耦器件中的发光二极管相同，当输入信号反向过大时可以保护光耦器件中发光二极管不被反向击穿。

实施例3：

优选的，如图3所示，作为本发明的进一步改进，实施例1的原有的固态继电器结构上在输出开关电路23的输出端O1和输出端O2间并联一个阻容吸收回路233。所述的阻容吸收回路233由电容C1串联电阻R6后并联压敏电阻V1构成。通过这种连接方式可以提高单向可控硅T1和单向可控硅T2在电冲击下的生存能力。

实施例4：

优选的，如图4所示，作为本发明的进一步改进，实施例1的原有的固态继电器结构上输入电路21中增加一个指示电路211；所述的指示电路由限流电阻R2和发光二极管构成；将限流电阻R2与发光二极管D2串联后并联输入电路21的两端。通过发光二极管D2的发光指示光耦触发控制电路的导通状态。

实施例5：

优选的，如图5所示，作为本发明的进一步改进，实施例1的固态继电器结构上同时增加防触发电路231、防误触发电路232及阻容吸收回路233。

实施例6：

优选的，如图6所示，作为本发明的进一步改进，实施例1的固态继电器结构上同时增加防触发电路231、防误触发电路232及指示电路211。

实施例7：

优选的，如图7所示，作为本发明的进一步改进，实施例1的固态继电器结构上同时增加指示电路211及阻容吸收回路233。

实施例8：

优选的，如图8所示，作为本发明的进一步改进，实施例1的固态继电器结构上同时增加防触发电路231、防误触发电路232、阻容吸收回路233及指示电路211。

以上所列举的8个实施例中的输入电路和输出开关电路的电路形态除上述实施例中的结构外还可以有其它形式的设计方法，比如输入电路可以采用桥式整流电路等，输出开关电路可以增加输出开关导通指示电路，单向可控硅门极保护电路使用串联电感的方法等。

通过上述手段，较好的提高了固态继电器的耐压能力，这种电路设计结构简单，并且通过对传统的固态继电器电路进行简单的电路走线改进就能实现这种耐高压的固态继电器设计，节约了改进成本。并且优选的实施方案能够进一步的提高固态继电器的性能。

 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种具有高耐压的固体继电器，包括：输入电路（21）、光耦触发控制电路（22）和输出开关电路（23）；其特征在于：

输入电路（21）串联一个限流电阻R1后作为输入电路（21）的输出端与光耦触发控制电路（22）的输入端串联连接；

光耦触发控制电路（22）包括光耦器件P1、P2，光耦器件P1、P2均是由一个发光二极管及一个光敏单向可控硅构成，光耦器件P1中的发光二极管与光耦器件P2中的发光二极管串联后作为光耦触发控制电路（22）的输入端，光耦器件P1中的光敏单向可控硅与光耦器件P2中的光敏单向可控硅反向并联后的两个节点分别作为光耦触发控制电路（22）的两个输出端，单向触发输出开关电路（23）的导通与截止;

所述的输出开关电路（23）由单向可控硅T1、单向可控硅T2及电阻R5构成，其中单向可控硅T1与单向可控硅T2反向并联，作为串接至负载回路的开关，单向可控硅T1和单向可控硅T2的门极分别连接于该光耦触发控制电路（22）的两个输出端，电阻R5串联在单向可控硅T1和单向可控硅T2的门极与该光耦触发控制电路（22）的两个输出端的任意一路上。

2.根据权利要求1的固态继电器，其特征在于：在所述的输出开关电路（23）中的单向可控硅T1和单向可控硅T2的门极和阴极间分别并联一个防误触发电路（231、232）；所述的防误触发电路（231、232）由一个二极管和一个电阻并联构成。

3.根据权利要求1或2的固态继电器，其特征在于：所述的输出开关电路（23）的末端并联一个阻容吸收回路（233）；所述的阻容吸收回路（233）由电容（C1）串联电阻R6后并联压敏电阻V1构成。

4.根据权利要求1或2的固态继电器，其特征在于：所述的输入电路（21）中增加一个指示电路（211）；所述的指示电路（211）由限流电阻R2和发光二极管构成；限流电阻(R2)与发光二极管串联后并联在输入电路（21）的两个输入端之间。

5.根据权利要求3所述的固态继电器，其特征在于：所述的输入电路（21）中增加一个指示电路（211）；所述的指示电路（211）由限流电阻(R2)和发光二极管构成；限流电阻(R2)与发光二极管串联后并联在输入电路（21）的两个输入端之间。

6.根据权利要求1或2的固态继电器，其特征在于：所述的输入电路（21）的输入端上正向串联一个二极管D1。

7.根据权利要求3的固态继电器，其特征在于：所述的输入电路（21）的输入端上正向串联一个二极管D1。

8.根据权利要求4的固态继电器，其特征在于：所述的输入电路（21）的输入端上正向串联一个二极管D1。

9.根据权利要求5的固态继电器，其特征在于：所述的输入电路（21）的输入端上正向串联一个二极管D1。