一种电流输入常闭型光隔离双向固体继电器的制作方法

本发明涉及固体继电器，具体涉及一种电流输入常闭型光隔离双向固体继电器。

背景技术：

1、在固体继电器的分类中，根据常态下输出端的开关状态可分为常开型和常闭型两种。常开型固体继电器在输入端未施加控制信号时，输出端处于断开状态；而常闭型固体继电器在输入端未施加控制信号时，输出端处于导通状态。常闭型固体继电器在故障安全保护、备用电源切换、信号旁路等应用场景中具有不可替代的作用。现有技术中，常闭型固体继电器的实现方式主要有以下几种：

2、采用增强型场效应管配合复杂的偏置电路和升压转换器来实现常闭功能。如ep4145702a1公开了一种使用常开元件构建的常闭固态继电器，其通过将增强型mosfet与升压转换器相结合，利用半导体开关导通时的寄生电阻压降作为升压转换器的输入电源，产生的升压输出反馈至mosfet的栅极以维持其导通状态。该技术方案虽然实现了常闭功能，但需要额外的升压转换器和持续的驱动能量来维持导通状态，导致电路结构复杂、成本高、功耗较大，且升压转换器中的电感元件会引入额外的电磁干扰。

3、采用氮化镓（gan）功率器件实现双向固态继电器功能。如cn218416166u公开了一种基于氮化镓三极管的双向固态继电器，通过采用双向对导通对称的氮化镓功率三极管作为开关元件，大幅度降低了导通电阻和功耗。然而，该技术方案需要复杂的双向整流模块、开关电源单元和电压检测模块配合工作，电路结构极为复杂，且同样需要外部直流电源供电，不利于小型化和低成本应用。

4、现有常闭型固体继电器技术存在以下不足：（1）采用增强型器件的方案需要复杂的偏置或升压电路来维持常闭状态，电路复杂、成本高；（2）采用电压型输入的方案对输入电压稳定性要求高，抗干扰能力差，且缺乏输入反向保护；（3）现有方案大多不能同时实现常闭、双向导通、光隔离和电流型输入的集成；（4）栅极保护机制不完善，耗尽型场效应管的栅极在开关过程中容易受到过压冲击而损坏。因此，亟需一种电路简单、成本低、输入为电流型、输出双向导通的常闭型光隔离固体继电器。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有技术的不足，本发明提供一种电流输入常闭型光隔离双向固体继电器，旨在解决现有常闭型固体继电器电路复杂、成本高、输入电压适应性差以及栅极保护不足的技术问题。

2、本发明的技术方案：

3、一种电流输入常闭型光隔离双向固体继电器，包括输入电路、隔离驱动电路和输出开关电路。所述输入电路包括发光二极管d1、开关二极管d2和稳压二极管d3，所述发光二极管d1的阳极与所述固体继电器的输入正端连接，所述发光二极管d1的阴极与所述开关二极管d2的阳极连接，所述开关二极管d2的阴极与所述稳压二极管d3的阴极连接，所述稳压二极管d3的阳极与所述固体继电器的输入负端连接。上述技术方案的工作原理和有益效果在于：发光二极管d1、开关二极管d2和稳压二极管d3形成串联输入回路，当在输入正端和输入负端之间施加正向电流时，电流依次流经发光二极管d1、开关二极管d2和稳压二极管d3，发光二极管d1在电流驱动下发出红外光；由于本发明采用电流型输入方式，只要输入电流达到发光二极管d1的驱动阈值即可使其发光，输入电流在较大范围内变化时均能保证可靠驱动，因此与现有电压型输入方案相比，本发明对输入电源的电压波动具有极强的适应性，无需额外的限流或稳压电路即可实现宽范围输入；同时，开关二极管d2利用其单向导电特性，当输入正端和输入负端之间意外施加反向电压时，开关二极管d2处于反向截止状态，阻断反向电流通路，从而有效防止反向电流损坏发光二极管d1，实现了输入端的自动极性保护；稳压二极管d3利用其反向击穿特性，将输入正端与输入负端之间的电压钳位在其稳压值与开关二极管d2正向压降及发光二极管d1正向压降之和，当输入电压超过该阈值时，稳压二极管d3击穿导通，使输入回路导通并发光，当输入电压低于该阈值时，稳压二极管d3恢复截止，输入回路断开，由此精确调节了固体继电器的输入接通电压阈值和输入关断电压阈值，实现了具有回差特性的开关动作，避免了输入电压在阈值附近波动时造成的继电器抖动和误动作。

4、所述隔离驱动电路包括所述发光二极管d1和光伏电池e1，所述发光二极管d1与所述光伏电池e1光学耦合，所述光伏电池e1的正极连接所述输出开关电路的公共源极节点，所述光伏电池e1的负极连接所述输出开关电路的公共栅极节点。上述技术方案的工作原理和有益效果在于：发光二极管d1与光伏电池e1通过光学耦合构成光隔离驱动单元，实现了输入电路与输出开关电路之间的完全电气隔离，隔离电压可达数千伏，有效保护了低压控制侧免受高压负载侧的干扰和冲击；当发光二极管d1通电发光时，光伏电池e1接收光能并将其转换为电能，在光伏电池e1的两端产生光生电压，该光生电压施加于公共源极节点和公共栅极节点之间，作为耗尽型场效应管的栅源驱动电压；由于光伏电池e1自身具有限流特性，其输出电流被限制在安全范围内，不会对待驱动的场效应管栅极造成过流冲击，同时光隔离方式消除了电磁耦合干扰，使固体继电器具有极低的电磁发射和极高的抗干扰能力。

5、所述输出开关电路包括耗尽型场效应管q1、耗尽型场效应管q2以及栅极保护电路，所述耗尽型场效应管q1的源极与所述耗尽型场效应管q2的源极连接形成所述公共源极节点，所述耗尽型场效应管q1的栅极与所述耗尽型场效应管q2的栅极连接形成所述公共栅极节点，所述耗尽型场效应管q1的漏极和所述耗尽型场效应管q2的漏极分别作为所述固体继电器的输出端。上述技术方案的工作原理和有益效果在于：耗尽型场效应管q1和耗尽型场效应管q2采用共源极、共栅极的连接方式，两只场效应管的源极相连形成公共源极节点，栅极相连形成公共栅极节点，漏极分别作为双向输出的两个端口；由于耗尽型场效应管在栅源电压为零时处于自然导通状态，当输入电路未施加输入电流时，光伏电池e1不产生光生电压，公共栅极节点与公共源极节点之间电压为零，耗尽型场效应管q1和q2均处于导通状态，固体继电器的两个输出端之间双向导通，实现了常闭功能；当输入电路施加输入电流使光伏电池e1产生负向栅源驱动电压时，该负向电压使耗尽型场效应管q1和q2的栅源电压低于其关断阈值，两个场效应管同时关断，固体继电器的输出端之间断开；两只耗尽型场效应管以背对背方式串联，无论电流从哪个方向流动，总有一只场效应管的体二极管处于反向偏置以阻断电流，而另一只处于正向导通状态，只有当两只场效应管同时关断时才能阻断双向电流，反之只要两只场效应管同时导通则允许电流双向流通，由此实现了真正的双向开关功能，适用于交流和直流双向负载控制场合。

6、所述栅极保护电路包括栅极电阻r1和栅极稳压二极管d4，所述栅极电阻r1连接于所述公共源极节点与所述公共栅极节点之间；所述栅极稳压二极管d4连接于所述公共源极节点与所述公共栅极节点之间。上述技术方案的工作原理和有益效果在于：栅极电阻r1并联于公共源极节点与公共栅极节点之间，在光伏电池e1撤除驱动电压后为栅极电荷提供泄放通路，通过合理选择栅极电阻r1的阻值可以控制栅极放电速度，从而调节固体继电器的关断时间，既避免了栅极放电过快产生的电压尖峰，又避免了放电过慢导致的开关延迟；栅极稳压二极管d4并联于栅源之间，利用其反向击穿特性将栅源电压钳位在安全范围内，当光伏电池e1输出的光生电压或外部浪涌电压超过耗尽型场效应管q1和q2的最大额定栅源电压时，栅极稳压二极管d4击穿导通，将栅源电压限制在其稳压值，从而有效防止栅极过压损坏，提高了固体继电器的可靠性和抗浪涌能力。

7、进一步的，所述发光二极管d1与所述光伏电池e1相互光学耦合，构成光隔离驱动单元，在固体继电器内光隔离驱动单元设为若干。上述技术方案的工作原理和有益效果在于：通过设置多套光隔离驱动单元，每套光隔离驱动单元中的发光二极管可以串联或并联连接以接收输入电流，各光伏电池的输出可以叠加连接以提供更大的驱动电压和电流，从而满足大电流负载或高栅压阈值场效应管的驱动需求，同时多套光隔离驱动单元提高了驱动的冗余度和可靠性。

8、本发明的有益效果：通过发光二极管、开关二极管和稳压二极管的串联组合，仅需输入电流达到发光二极管的驱动阈值即可实现可靠驱动，对输入电压波动具有极强的适应性，无需额外的限流或稳压电路，简化了外部接口设计；当输入极性接反时自动阻断电流通路，防止内部器件损坏，提高了产品的安全性和可靠性；稳压二极管实现了输入接通电压和关断电压的精确调节，并产生回差特性，避免了输入电压在阈值附近波动时的继电器抖动和误动作；

9、采用耗尽型场效应管作为输出开关器件，利用其零栅压自然导通的特性，无需外部偏置电源即可实现常闭功能，在输入断电时输出自动保持导通，适用于故障安全保护场合；两只耗尽型场效应管采用共源共栅连接方式，实现了真正的双向开关功能，输出端可承受双向电压和电流，适用于交流和直流负载控制。