一種大功率直流固態(tài)電子開(kāi)關(guān)

關(guān)鍵詞：電子開(kāi)關(guān)；固態(tài)；大功率

圖1基本原理框圖

在自動(dòng)測量設備、儀器儀表、直流配電設備中經(jīng)常需要對直流大功率信號進(jìn)行控制，過(guò)去通常采用電磁繼電器。隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步，已開(kāi)始將半導體器件作為固態(tài)電子開(kāi)關(guān)來(lái)應用，本文介紹了一種實(shí)現方法。

1主要技術(shù)指標

1）電子直流開(kāi)關(guān)最高輸入電壓65V；

2）最大輸出電流≤25A；

3）輸入輸出壓降≤0.5V；

4）控制信號高電平(≥2V)時(shí),電子開(kāi)關(guān)導

通，無(wú)信號時(shí)，關(guān)斷；

5）工作溫度－40℃～＋55℃。

此電子開(kāi)關(guān)的基本原理框圖如圖1所示。

本電子開(kāi)關(guān)采用N溝道功率MOS管作為開(kāi)關(guān)器件，當對控制端子施加高電平（≥2V）時(shí)，由SE555MJG（簡(jiǎn)稱(chēng)555）定時(shí)集成電路構成的懸浮升壓電路工作，產(chǎn)生懸浮于MOS管S極電平的正驅動(dòng)電壓Ugs大約為15V左右，MOS管導通；當控制端子電壓為0電平時(shí)，則555構成的控制電路停止工作，MOS管關(guān)閉。

2控制電路的構成

控制電路主要由作為方波脈沖發(fā)生器的555定時(shí)器電路構成，以下對555定時(shí)器電路進(jìn)行簡(jiǎn)介。

1）555電路結構框圖及引腳功能

圖2給出了555定時(shí)器內部電路結構框圖及引腳功能,其內部包括兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)分壓器，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電晶體管和一個(gè)功率輸出級。

2）555定時(shí)器電路構成的方波脈沖發(fā)生器

在555定時(shí)器外只須加兩個(gè)電阻，一個(gè)電容就可構成方波脈沖發(fā)生器。實(shí)際電路如圖3所示?，F將原理簡(jiǎn)述如下：當脈沖發(fā)生器剛接通電源時(shí)，由于電容CT上尚無(wú)電荷累積，腳2、腳6處于0電平，導致內部比較器A1的輸出，即RS觸發(fā)器R端的輸入為1；比較器A2的輸出，即RS觸發(fā)器S端的輸入為0，從而使

圖4電子開(kāi)關(guān)原理圖

圖2555電路結構框圖及引腳功能

圖3方波脈沖發(fā)生器

RS觸發(fā)器的Q端置1，輸出腳3為高電平。此后，電源VCC經(jīng)電阻RA、RB向電容CT充電，直到電容CT上的電壓uC升高到uC≥VCC時(shí)，555定時(shí)器的腳2及腳6處于高電平，RS觸發(fā)器的R端變?yōu)?，S端為1，從而使RS觸發(fā)器Q端置0，腳3由高電平變?yōu)榈碗娖?。放電晶體管VT導通，電容CT經(jīng)RB和放電管放電，電容電壓uC下降，當uCVCC時(shí)，輸出腳3由低到高，電容CT再次充電。此過(guò)程周而復始，形成振蕩。通過(guò)計算可知，其振蕩頻率
f=1.433/(RA＋2RB)CT

導通時(shí)間為

ton=0.693CT(RA＋RB)

3控制電路的功能分析

電子開(kāi)關(guān)原理圖如圖4所示。其中控制電路的供電電源是由R1、D1、R3、C1和V1組成的線(xiàn)性穩壓降壓電路組成。R1、D1、C1為V1提供基準電壓，R3用于降低V1管上的功耗，起分壓和限流作用，V1管E極輸出＋15V左右電壓。555定時(shí)器電路接成方波脈沖發(fā)生器電路，當控制信號為高電平時(shí)，該高電平信號經(jīng)R9、R10分壓后加在V2管的基極上，V2導通，使定時(shí)器555電路腳1接地，脈沖發(fā)生器開(kāi)始工作，使腳3輸出幅度為15V的方波脈沖信號，該脈沖發(fā)生器頻率按圖4中參數計算為38kHz左右。 C6、C5、C4、V5、V6構成“電荷泵電路”。C6起到“電荷泵”及隔直流作用。腳3輸出為正脈沖時(shí)，通過(guò)C6隔直后經(jīng)V5給C5、C4串聯(lián)充電，腳3為零電平時(shí)，C4通過(guò)V6給C6充電，下一個(gè)正脈沖到來(lái)時(shí)腳3電壓與C6上電壓串聯(lián)給C5、C4充電，這樣重復操作，C5、C4逐漸充電，達到穩定時(shí)uc5=uc4=Vcc。最終在C5上得到15V左右懸浮于MOS管G、S極之間的直流電壓，經(jīng)過(guò)R6驅動(dòng)功率MOS管導通，最終實(shí)現小信號對大功率直流信號的控制。V4為齊納二極管，用于MOS管D、S極之間過(guò)壓保護。功率MOS管用IXYS公司IXFM75N10，參數為100V，75A，0.02Ω。TO?204AA封裝。

4結語(yǔ)

該功率電子開(kāi)關(guān)已成功用于某軍用設備直流配電系統中，并已進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，實(shí)踐證明其質(zhì)量穩定、性能可靠。本電路可進(jìn)行適當改進(jìn)，以適應不同電壓、電流場(chǎng)合，可廣泛用于儀器、自動(dòng)測量等設備當中作為直流電子開(kāi)關(guān)或作為直流固態(tài)繼電器（DC?SSR），具有一定的推廣價(jià)值。