專利名稱：一種固體繼電器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電器電子技術領域，具體涉及一種固體繼電器的設計。
背景技術：
固態(tài)繼電器(Solid State Relays，SSR)是一種無觸點電子開關，它利用電子元件 (如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，在其輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài) (無信號時呈阻斷狀態(tài))，即當控制腳之間施加電壓時，固體繼電器導通，而當控制腳之間的施加電壓撤銷則固體繼電器斷開，從而控制較大負載。美國專利號4804866介紹的固體繼電器關斷控制電路有效的使場效應管關斷時的柵源電容放電速度的到提升。其基本原理為“將一個控制裝置連接到光伏二極管陣列與輸出金屬氧化物場效應管的柵極之間，從而使控制裝置在光伏輸出時處于高阻狀態(tài)，在光伏輸出消失時處于低阻狀態(tài)，以便光伏二極管陣列產(chǎn)生的充電電流流向輸出端金屬氧化物場效應管的柵極”。專利中提到的控制裝置就是加速泄放電路，采用了 N溝道JFET (常閉器件)、二極管及NPN三極管、二極管、電阻組合而成。美國專利號5151602，在常閉性器件組成的金屬氧化物場效應管柵極泄放電路中， 增加了阻抗原件。與專利號48404866的繼電器相比較，增加了阻抗原件可以使繼電器的輸出信號波形上升下降沿變得平緩，有效的提高了繼電器抗電器噪聲的能力，但由于沒做進一步處理使得接通和關斷時間較長。美國專利號5278422同樣是常閉型器件組成的加速泄放電路，該泄放電路也增加了阻抗原件。但由于此阻抗的位置并不在充電回路上，所以較美國專利號5151602，該泄放電路使柵充電時間不會延長，而同時又使得輸出信號的下降沿趨于緩和，提高了抗噪聲的能力，但總的關斷時間還是偏大。公開號CN1728553A公開了一種固體繼電器，由常開型器件組成的加速充放電電路，該加速接通電路由電容、NPN三極管和二極管組成，其對金屬氧化物場效應管柵的加速充電需要一個電容借助于輸出電源提供的能量來實現(xiàn)。該方案有效減小了接通時間，但由于電容的引入和需要借助輸出電源不可避免的增加了芯片面積和布線的難度，另外對下降沿坡度的控制也略顯不足，抗干擾能力較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的固體繼電器存在的上述問題，提出了一種固體繼電器。本發(fā)明的技術方案是一種固體繼電器，包括，一個接著繼電器輸入端子之間的發(fā)光元件；一個耦合發(fā)光元件光信號時，產(chǎn)生光伏輸出的光伏二極管陣列；一個或兩個接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應晶體管；
其特征在于，還包括，一個由光電晶體管、電阻組成的充電電路，其中光電晶體管的發(fā)射極接輸出常開型金屬氧化物場效應晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第一端，所述電阻接在輸出常開型金屬氧化物場效應晶體管的源極和光伏二極管陣列的第二端之間；一個由PNP三極管、N溝道耗盡型金屬場效應晶體管和兩個電阻組成的加速泄放電路，其中，PNP三極管經(jīng)一個電阻接常開型金屬氧化物場效應晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第二端，基極接光伏二極管陣列的第一端，N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管的漏極經(jīng)一個電阻接常開型金屬氧化物場效應晶體管的柵極，源極與襯底接在常開型金屬氧化物場效應晶體管的源極，柵極接在光伏二極管陣列的第二端。進一步的，所述固體繼電器還包括一光敏電阻，所述光敏電阻連接在所述充電電路的電阻和所述N溝道耗盡型金屬場效應晶體管源極之間。進一步的，接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應晶體管為兩個， 其中，兩個常開型金屬氧化物場效應晶體管的源極相連，作為所述繼電器的第三輸出端子； 兩個漏極分別作為所述繼電器的第一、第二輸出端子。進一步的，金屬氧化物場效應晶體管為N溝道增強型。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明主要是通過對輸出金屬氧化物場效應晶體管柵電容進行充電放電來實現(xiàn)，進行柵充電時，主要由PNP三極管和N溝道耗盡型金屬氧化物場效應管組成的放電電路處于高阻狀態(tài)(即器件處于反偏)，而當放電電路處于低阻狀態(tài)時，電荷將通過放電電路中兩條通路進行泄放，從而達到了對繼電器的導通及加速關斷的目的。而對這兩種電路實現(xiàn)轉換的控制是通過所述光伏二極管陣列輸出的改變而實現(xiàn)。2、本發(fā)明引入了光電三極管，在對輸出金屬氧化物場效應管柵充電時，電路處于光照狀態(tài)下，光電三極管處于低阻狀態(tài)，故充電電路的延遲將較小。3、本發(fā)明的充電電路和加速泄放電路較為簡單，其中的三個電阻的功能不盡相同，分別起到了保證常閉型金屬氧化物場效應管在充電時處于截止狀態(tài)和使輸出信號下降沿趨于緩和的作用，下降沿的緩和使得電路抗干擾能力較強。并且整個電路中不存在電容， 不會增加芯片的面積。


圖1是本發(fā)明固體繼電器實施例一的電路原理圖。圖2是本發(fā)明固體繼電器實施例二的電路原理圖。圖3是本發(fā)明固體繼電器實施例三的電路原理圖。圖4是實施例一的輸入信號與輸出信號的時序示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明作進一步的闡述。本發(fā)明的固體繼電器的基本電路結構包括一個發(fā)光元件，在接收到輸入電流時發(fā)出光信號；一個光伏二極管陣列，在接收到所述發(fā)光元件發(fā)出的光信號時由于光伏效應產(chǎn)生電流；繼電器輸出端連接的是一個常開型金屬氧化場效應晶體管。另外還包括一個介于發(fā)光元件和輸出場效應晶體管之間的控制電路，此電路用于控制對輸出場效應晶體管柵的充放電。在所述發(fā)光元件接通后，光伏二極管陣列接收光照，經(jīng)光伏效應有電流輸出，充電電路被接通，光生電流經(jīng)光電三極管和電阻對輸出場效應晶體管柵進行充電；在所述發(fā)光元件關斷后，光信號被取消，光伏二極管光伏輸出被取消，此時加速泄放電路被接通，輸出場效應晶體管柵上的電荷通過泄放電路被泄放。這里，控制電路具體包括充電電路和加速泄放電路。實施例一按照本發(fā)明的固體繼電器的一種體現(xiàn)如圖1的實施例一所示。包括，一個接著繼電器輸入端子111和Illa之間的發(fā)光元件112 ；—個耦合發(fā)光元件光信號時，產(chǎn)生光伏輸出的光伏二極管陣列113 ；—個接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應晶體管120還包括，一個由光電晶體管114、電阻119組成的充電電路，其中光電晶體管114的發(fā)射極接輸出常開型金屬氧化物場效應晶體管120的柵極，集電極接在光伏二極管陣列113的第一端，電阻119接在輸出常開型金屬氧化物場效應晶體管120的源極和光伏二極管陣列113 的第二端之間；這里，光電晶體管114的基極懸空，經(jīng)光照后在集電結產(chǎn)生電子空穴對使晶體管導通。 一個由PNP三極管116、N溝道耗盡型金屬場效應晶體管118和兩個電阻115、117 組成的加速泄放電路，其中，PNP三極管116經(jīng)一個電阻115接常開型金屬氧化物場效應晶體管120的柵極，集電極接在光伏二極管陣列113的第二端，基極接光伏二極管陣列113的第一端，N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管118的漏極經(jīng)一個電阻117接常開型金屬氧化物場效應晶體管120的柵極，源極與襯底接在常開型金屬氧化物場效應晶體管120的源極，柵極接在光伏二極管陣列113的第二端。光電晶體管114接于光伏二極管陣列113的第一端和常開型金屬氧化物場效應晶體管120的柵極之間，其導通狀態(tài)下的低阻抗保證了繼電器開啟時間不致過大。PNP三極管116與N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管118共同組成了泄放電路的兩條泄放通道，這兩條通道在泄放電荷的過程中作用時間不同，功能也不盡相同，這兩個通道的共同作用使得在常開型金屬場效應晶體管120的輸出信號下降沿趨緩的同時其柵電容電荷的泄放時間有所減少。具體工作過程如下在輸入端111和Illa加一個正向壓降，發(fā)光二極管112處于工作狀態(tài)，光伏二極管陣列113接收光照后處于光伏輸出狀態(tài)，光電三極管114經(jīng)光照后處于導通狀態(tài)，此時PNP三極管116發(fā)射結處于短路狀態(tài)，PNP三極管116截止。光伏二極管陣列113產(chǎn)生的光生電流從光伏二極管陣列陽極流出，經(jīng)光電三極管114向輸出場效應晶體管120柵上充電，并經(jīng)電阻119流回光伏二極管陣列113陰極。由于金屬氧化物場效應晶體管118為N溝道耗盡型，此時電流流經(jīng)電阻119時產(chǎn)生的壓降將使耗盡型場效應管處于截止狀態(tài)。因此PNP三極管116和N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管118都處于非導通狀態(tài)，光生電流將直接對輸出金屬氧化物場效應晶體管柵電容進行充電。當輸入端電壓被取消，發(fā)光二極管112不再處于工作狀態(tài)，光伏二極管陣列113光伏輸出被取消，作用相當于普通二極管的串聯(lián)形式。兩個光電三極管114和118截止，處于高阻狀態(tài)。此時電路的功能主要是對輸出金屬氧化物場效應晶體管120的柵極電荷進行泄放。在泄放的初始階段由輸出金屬氧化物場效應晶體管120柵極、電阻115、PNP三極管116 發(fā)射結、光伏二極管陣列113、電阻119到輸出金屬氧化物場效應晶體管源極121a的回路將被導通，發(fā)射結的導通使得PNP三極管116導通；另外N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管118由于柵源電壓不再反向偏置，故也處于導通狀態(tài)。此時共有PNP三極管116和N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管118兩條通道對輸出金屬氧化物場效應晶體管120的柵電容電荷進行泄放。隨著金屬氧化物場效應晶體管120的柵電容電荷的泄放，其柵源電壓也將逐漸減小，到了某一時刻，由于柵源電壓不再能負擔流經(jīng)電阻115、PNP三極管116的發(fā)射結、光伏二極管陣列到電阻119回路的電流，此回路被斷開，PNP三極管116的基極電流被取消，PNP三極管處于截止狀態(tài)，故此時泄放電路只剩N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管118—條泄放通道對輸出金屬氧化物場效應晶體管120柵電荷進行泄放，并直到輸出金屬氧化物場效應晶體管120柵電荷被泄放完畢，此時柵源電壓小于輸出金屬氧化物場效應晶體管120的閾值電壓。參考圖4示出了繼電器輸入電流與輸出電流的時序圖。繼電器的輸入端為一矩形波輸入。A圖為圖1中的電路斷開PNP三極管116、電阻115，并且短路光電三極管114、和電阻117后的輸出金屬氧化物場效應晶體管的電流波形；B圖為圖1中的電路斷開PNP三極管116、電阻115，并且短路光電三極管114后的輸出金屬氧化物場效應晶體管的電流波形；；C圖為圖1中的電路斷開電阻115后的輸出金屬氧化物場效應晶體管的電流波形；D圖為圖1中的電路的輸出金屬氧化物場效應晶體管的電流波形。從圖4中可以看出，電路的開啟和關斷從輸入信號到輸出信號都會產(chǎn)生一定的延遲，其中開啟的延遲即柵充電時間主要是由于電阻119引起的(充電電路中光電三極管處于低阻狀態(tài)可忽略)，而關斷的延遲即柵電荷的泄放時間可分為兩部分1、輸出金屬氧化物場效應管的柵源電壓從工作電壓降低到開啟電壓Vgs(。n)所用時間td ；2、輸出金屬氧化物場效應晶體管的柵源電壓從開啟電壓Vgs(。n)降低到閾值電壓Vth所用時間tf。首先出于對電路開關速度的考慮，總的關斷時間td+tf應盡可能小，另外為了有效的提高繼電器抗電器噪聲的能力，應使繼電器的輸出信號波形下降沿變得平緩，也就是希望、應較大。圖4中A圖的電路決定了其總關斷時間較長且下降沿較陡；B圖的電路是在A 圖的電路基礎上添加了電阻117，由于此電阻的作用，泄放回路的電阻明顯增大，故輸出信號的延遲變大，波形下降沿明顯變緩。而C圖的電路，正如前所述，在關斷的初始階段包含了 PNP管和N溝道耗盡型金屬氧化物場效應管兩條泄放的通道，泄放速度快，而后某一時刻 PNP管被截止，電路僅通過N溝道耗盡型金屬氧化物場效應管一條泄放的通道泄放電荷，泄放速度變慢，但此時從兩條通道到一條通道的時間點不可控，所以導致tf階段仍是兩條通道泄放，下降沿較陡峭。D圖的電路正是本發(fā)明提出的電路，即圖1所示的電路，在C圖電路基礎上引入電阻115，適當調節(jié)此電阻阻值使得PNP管被截止的時刻恰好是輸出金屬氧化物場效應晶體管120的柵源電壓下降到開啟電壓Vgs(。n)的時刻，這樣的處理可以使得、盡可能的小而、可以相應較大，正如圖4中D圖的波形所示。實施例二
參考圖2示出了另一種電路結構，此電路是在圖1所示的電路基礎上在電阻219 所在的支路上補充一個光敏電阻222。依據(jù)前面的分析，圖1所示電路中電阻119的作用是在對輸出金屬氧化物場效應晶體管120柵進行充電時保證N溝道耗盡型金屬氧化物場效應管118處于截止狀態(tài)(這決定了電阻119的最小值)，而在對輸出金屬氧化物場效應管120 柵電荷進行泄放的初始階段(即td階段)時電阻119的存在提高了 N溝道耗盡型金屬氧化物場效應管118的柵源偏置，從而提高了漏源電流。圖2中電路添加的光敏電阻222在接受光照時處于低阻狀態(tài)，無光照時處于高阻狀態(tài)，使得在對輸出金屬氧化物場效應晶體管 220柵充電時，充電電路電阻不會過大，而在對輸出金屬氧化物場效應晶體管220柵電荷進行泄放的初始階段時N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管218的柵源偏置會變得更大， 從而進一步提高了初始階段的泄放電流，減小了時間td。實施例三圖3為輸出金屬氧化物場效應晶體管為兩個時的電路應用方案。兩個常開型金屬氧化物場效應晶體管320、320a的源極相連，作繼電器的第三輸出端子；兩個漏極分別作為繼電器的第一、第二輸出端子。這種電路結構可以用在交流環(huán)境中，每半個電流周期只有其中一個金屬氧化物場效應晶體管工作，充電電路和加速泄放電路的工作原理與上述實施例一相同，不再進行說明。本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種固體繼電器，包括，一個接著繼電器輸入端子之間的發(fā)光元件；一個耦合發(fā)光元件光信號時，產(chǎn)生光伏輸出的光伏二極管陣列；一個或兩個接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應晶體管；其特征在于，還包括，一個由光電晶體管、電阻組成的充電電路，其中，光電晶體管的發(fā)射極接輸出常開型金屬氧化物場效應晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第一端，所述電阻接在輸出常開型金屬氧化物場效應晶體管的源極和光伏二極管陣列的第二端之間；一個由PNP三極管、N溝道耗盡型金屬場效應晶體管和兩個電阻組成的加速泄放電路， 其中，PNP三極管經(jīng)一個電阻接常開型金屬氧化物場效應晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第二端，基極接光伏二極管陣列的第一端，N溝道耗盡型金屬氧化物場效應晶體管的漏極經(jīng)一個電阻接常開型金屬氧化物場效應晶體管的柵極，源極與襯底接在常開型金屬氧化物場效應晶體管的源極，柵極接在光伏二極管陣列的第二端。
2.根據(jù)權利要求1所述的固體繼電器，其特征在于，還包括一光敏電阻，所述光敏電阻連接在所述充電電路的電阻和所述N溝道耗盡型金屬場效應晶體管源極之間。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的固體繼電器，其特征在于，接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應晶體管為兩個，其中，兩個常開型金屬氧化物場效應晶體管的源極相連，作為所述繼電器的第三輸出端子；兩個漏極分別作為所述繼電器的第一、第二輸出端子。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的固體繼電器，其特征在于，金屬氧化物場效應晶體管為N 溝道增強型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體繼電器，包括一個光伏二極管陣列和一個或兩個場效應晶體管；還包括一個由光電晶體管、電阻組成的充電電路，光電晶體管的發(fā)射極接效應晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第一端，電阻接在場效應晶體管的源極和光伏二極管陣列的第二端之間；一個由三極管、N溝道場效應晶體管和兩個電阻組成的加速泄放電路，三極管經(jīng)一個電阻接場效應晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第二端，基極接光伏二極管陣列的第一端，N溝道場效應晶體管的漏極經(jīng)一個電阻接場效應晶體管的柵極，源極與襯底接在場效應晶體管的源極，柵極接在光伏二極管陣列的第二端。本發(fā)明的繼電器結構簡單，在不增加接通時間的同時，提高了抗干擾能力。
文檔編號H03K17/56GK102332900SQ20111033387
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權日2011年10月28日
發(fā)明者吳浩然, 張有潤, 張波 申請人:電子科技大學