一種大功率直流固態(tài)電子開關(guān)

關(guān)鍵詞：電子開關(guān)；固態(tài)；大功率

圖1基本原理框圖

在自動測量設(shè)備、儀器儀表、直流配電設(shè)備中經(jīng)常需要對直流大功率信號進行控制，過去通常采用電磁繼電器。隨著電子技術(shù)的進步，已開始將半導(dǎo)體器件作為固態(tài)電子開關(guān)來應(yīng)用，本文介紹了一種實現(xiàn)方法。

1主要技術(shù)指標(biāo)

1）電子直流開關(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,電子開關(guān)導(dǎo)

通，無信號時，關(guān)斷；

5）工作溫度－40℃～＋55℃。

此電子開關(guān)的基本原理框圖如圖1所示。

本電子開關(guān)采用N溝道功率MOS管作為開關(guān)器件，當(dāng)對控制端子施加高電平（≥2V）時，由SE555MJG（簡稱555）定時集成電路構(gòu)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(qū)動電壓Ugs大約為15V左右，MOS管導(dǎo)通；當(dāng)控制端子電壓為0電平時，則555構(gòu)成的控制電路停止工作，MOS管關(guān)閉。

2控制電路的構(gòu)成

控制電路主要由作為方波脈沖發(fā)生器的555定時器電路構(gòu)成，以下對555定時器電路進行簡介。

1）555電路結(jié)構(gòu)框圖及引腳功能

圖2給出了555定時器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖及引腳功能,其內(nèi)部包括兩個電壓比較器，一個分壓器，一個RS觸發(fā)器，一個放電晶體管和一個功率輸出級。

2）555定時器電路構(gòu)成的方波脈沖發(fā)生器

在555定時器外只須加兩個電阻，一個電容就可構(gòu)成方波脈沖發(fā)生器。實際電路如圖3所示。現(xiàn)將原理簡述如下：當(dāng)脈沖發(fā)生器剛接通電源時，由于電容CT上尚無電荷累積，腳2、腳6處于0電平，導(dǎo)致內(nèi)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電子開關(guān)原理圖

圖2555電路結(jié)構(gòu)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，555定時器的腳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(dǎo)通，電容CT經(jīng)RB和放電管放電，電容電壓uC下降，當(dāng)uCVCC時，輸出腳3由低到高，電容CT再次充電。此過程周而復(fù)始，形成振蕩。通過計算可知，其振蕩頻率
f=1.433/(RA＋2RB)CT

導(dǎo)通時間為

ton=0.693CT(RA＋RB)

3控制電路的功能分析

電子開關(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組成的線性穩(wěn)壓降壓電路組成。R1、D1、C1為V1提供基準(zhǔn)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定時器電路接成方波脈沖發(fā)生器電路，當(dāng)控制信號為高電平時，該高電平信號經(jīng)R9、R10分壓后加在V2管的基極上，V2導(dǎo)通，使定時器555電路腳1接地，脈沖發(fā)生器開始工作，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(shù)計算為38kHz左右。 C6、C5、C4、V5、V6構(gòu)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，通過C6隔直后經(jīng)V5給C5、C4串聯(lián)充電，腳3為零電平時，C4通過V6給C6充電，下一個正脈沖到來時腳3電壓與C6上電壓串聯(lián)給C5、C4充電，這樣重復(fù)操作，C5、C4逐漸充電，達(dá)到穩(wěn)定時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R6驅(qū)動功率MOS管導(dǎo)通，最終實現(xiàn)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極之間過壓保護。功率MOS管用IXYS公司IXFM75N10，參數(shù)為100V，75A，0.02Ω。TO?204AA封裝。

4結(jié)語

該功率電子開關(guān)已成功用于某軍用設(shè)備直流配電系統(tǒng)中，并已進行了小批量生產(chǎn)，實踐證明其質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠。本電路可進行適當(dāng)改進，以適應(yīng)不同電壓、電流場合，可廣泛用于儀器、自動測量等設(shè)備當(dāng)中作為直流電子開關(guān)或作為直流固態(tài)繼電器（DC?SSR），具有一定的推廣價值。