一种交流固态继电器的制作方法

本发明属于固态继电器技术领域，具体地涉及一种具有短路保护的交流固态继电器。

背景技术

一般交流固态继电器由光耦和可控硅及其它电子元器件组成，如公开专利：cn205986812u，这种电路实现简单，成本低廉，广泛应用于电机控制、加热控制等场合。然而在实际的应用中，经常出现负载短路的现象，特别是加热控制场合。一旦负载发生短路，则整个回路会产生极大的短路电流，如果此时固态继电器无法自我关断保护，将导致固态继电器因过流而损坏，使得设备需停机维修，导致使用成本高。而可控硅是被动关断器件，一旦可控硅被光耦触发导通，它只有在回路电流为零时才能关断。导致当负载短路发生时，即使系统能检测到短路现象，及时去掉固态继电器的控制信号，往往也无法及时关断固态继电器：在可控硅关断(电流到达过零点)前，短路电流已经大到足以把可控硅等器件烧毁。因此，这种采用可控硅做的固态继电器是无法实现可靠的负载短路保护的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有短路保护的交流固态继电器用以解决上述存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种交流固态继电器，包括用于串联在负载回路的输出开关电路，所述输出开关电路包括二功率开关管、带短路保护的驱动电路和短路检测电路，所述功率开关管为igbt管或mos管，二功率开关管反向串联，串联后的两端作为该交流固态继电器的两输出端，所述驱动电路由电源电路供电，所述驱动电路的输入端接控制信号，根据控制信号相应地控制二功率开关管的通断，所述驱动电路同时通过短路检测电路检测负载是否短路，若是短路，则控制二功率开关管断开。

进一步的，所述二功率开关管为igbt管t1和t2，所述驱动电路由两个带短路保护的igbt驱动芯片ic1和ic2组成，igbt驱动芯片ic1和ic2分别驱动igbt管t1和t2。

更进一步的，所述igbt驱动芯片ic1和ic2的型号均为ix2127，所述igbt驱动芯片ic1的h0脚串联电阻接igbt管t1的门极，所述igbt驱动芯片ic2的h0脚串联电阻接igbt管t2的门极，所述igbt管t1和t2的发射极相互连接，所述igbt管t1和t2的集电极分别作为该交流固态继电器的两输出端，用于串接在负载回路中。

更进一步的，所述短路检测电路由分压电路来实现，所述分压电路用于检测该交流固态继电器的两输出端的电压，所述分压电路的输出端分别与igbt驱动芯片ic1和ic2的cs脚连接，igbt驱动芯片ic1和ic2通过cs脚输入的电压高低来判断负载是否短路。

更进一步的，所述分压电路包括二极管d3、二极管d5、电阻r1、电阻r4、电阻r6、电阻r8、电阻r2和电阻r9，所述电阻r1的第一端正向串联二极管d3接igbt管t1的集电极，所述电阻r1的第二端依次串联电阻r4和r5接信号地，所述电阻r1和r4之间的节点接igbt驱动芯片ic1的cs脚，所述电阻r8的第一端正向串联二极管d5接igbt管t2的集电极，所述电阻r8的第二端依次串联电阻r6和r5接信号地，所述电阻r8和r6之间的节点接igbt驱动芯片ic2的cs脚,所述的电阻r2的第一端接二极管d3的正极，电阻r2的第二端接igbt驱动芯片ic1的ho脚，所述的电阻r9第一端接二极管d5的正极，电阻r9的第二端接igbt驱动芯片ic2的ho脚。

进一步的，还包括计时电路，所述计时电路用于在驱动电路检测到负载短路时开始计时，在预设的计时周期结束后输出使能信号给驱动电路驱动二功率开关管导通。

更进一步的，所述计时电路采用型号为mc14541b的定时器ic3来实现。

进一步的，还包括光耦隔离电路，所述光耦隔离电路的输入端接控制信号，所述光耦隔离电路的第一输出端接计时电路的使能信号输出端，所述光耦隔离电路的第二输出端接驱动电路的输入端。

进一步的，所述电源电路为隔离式dc/dc电源电路。

进一步的，还包括电阻r15和电容c8，所述电阻r15和电容c8串联后接在该交流固态继电器的两输出端之间。

本发明的有益技术效果：

本发明采用两个igbt或mos管反串联替代常用的可控硅，采用两个带短路保护的驱动芯片分别驱动两个igbt或mos管，利用igbt或mos管可以主动关断的特性，实现负载短路保护的功能，可靠性高，使用寿命长，且采用计时电路进行定期检测负载短路故障是否消失，以便在负载短路故障消失后，自动恢复正常工作状态，使用便捷，提高用户体验感。

本发明电路结构简单，易于实现，成本较低。

附图说明

图1为本发明具体实施例的电源电路的电路原理图；

图2为本发明具体实施例的驱动电路和短路检测电路的电路原理图；

图3为本发明具体实施例的光耦隔离电路的电路原理图；

图4为本发明具体实施例的计时电路的电路原理图。

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。

一种交流固态继电器，包括用于串联在负载回路的输出开关电路、光耦隔离电路、电源电路和计时电路，所述输出开关电路包括二功率开关管、带短路保护的驱动电路和短路检测电路，所述功率开关管为igbt管或mos管，自身集成了二极管，二功率开关管反向串联，串联后的两端作为该交流固态继电器的两输出端用于串接在负载回路中，所述电源电路为驱动电路供电，控制信号通过光耦隔离电路隔离传输给驱动电路，驱动电路根据控制信号相应地控制二功率开关管的通断，所述驱动电路同时通过短路检测电路检测负载是否短路，若是短路，则控制二功率开关管断开。

计时电路用于在驱动电路检测到负载短路时开始计时，在预设的计时周期结束后输出使能信号给驱动电路驱动二功率开关管导通。如果此时负载的短路故障已经去除，则该交流固体继电器将开始正常工作；反之，如果此时负载仍然处于短路故障中，驱动电路通过短路检测电路再次检测负载短路，再次控制二功率开关管断开，计时电路开始新的计时，直到一个新的计时周期结束，再次输出使能信号给驱动电路驱动二功率开关管导通，如此循环。

如图2所示，本具体实施例中，功率开关管优选为igbt管，即igbt管t1和t2，自身集成了二极管，igbt管t1和t2的发射极相互连接，igbt管t1和t2的发射极之间的节点串联电阻r5接信号地，igbt管t1和t2的集电极分别作为该交流固态继电器的两输出端1和2，用于串接在负载回路中，当然，在其它实施中，功率开关管也可以是mos管，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

如图2所示，本具体实施例中，所述驱动电路由两个带短路保护的igbt驱动芯片ic1和ic2组成，所述igbt驱动芯片ic1和ic2的型号均为ix2127，所述igbt驱动芯片ic1的h0脚串联电阻r3接igbt管t1的门极，所述igbt驱动芯片ic2的h0脚串联电阻r7接igbt管t2的门极，igbt管t1的门极与发射极之间接有稳压二极管d6，对igbt管t1进行保护，所述igbt管t2的门极与发射极之间接有稳压二极管d7，对igbt管t2进行保护，当然，在其它实施例中，igbt驱动芯片ic1和ic2也可以采用其它带短路保护的igbt驱动芯片，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

本具体实施例中，所述短路检测电路由分压电路来实现，所述分压电路用于检测该交流固态继电器的两输出端1和2的电压，所述分压电路的输出端分别与igbt驱动芯片ic1和ic2的cs脚连接，igbt驱动芯片ic1和ic2通过cs脚输入的电压高低可以判断出负载是否短路，这是因为当该交流固态继电器处于导通状态，且负载发生短路，此时，输出回路的电流将急剧升高，导致该交流固态继电器的两输出端1和2的电压将随着输出回路电流的增加而增加。

具体的，如图2所示，所述分压电路包括二极管d3、二极管d5、电阻r1、电阻r4、电阻r6、电阻r8、电阻r2和电阻r9，所述电阻r1的第一端正向串联二极管d3接igbt管t1的集电极(该交流固态继电器的输出端1)，所述电阻r1的第二端依次串联电阻r4和r5接信号地，所述电阻r1和r4之间的节点接igbt驱动芯片ic1的cs脚，所述电阻r8的第一端正向串联二极管d5接igbt管t2的集电极(该交流固态继电器的输出端2)，所述电阻r8的第二端依次串联电阻r6和r5接信号地，所述电阻r8和r6之间的节点接igbt驱动芯片ic2的cs脚，所述的电阻r2的第一端接二极管d3的正极，电阻r2的第二端接igbt驱动芯片ic1的ho脚，所述的电阻r9第一端接二极管d5的正极，电阻r9的第二端接igbt驱动芯片ic2的ho脚。

如图1所示，本具体实施例中，电源电路为隔离式dc/dc电源电路，安全性高，具体包括隔离式dc/dc转换器s1和二极管d1，所述隔离式dc/dc转换器s1的输入正端vin反向串联二极管d1接输入电源，所述隔离式dc/dc转换器s1的输入负端gnd接地，所述隔离式dc/dc转换器s1的输出正端+vo分别接igbt驱动芯片ic1和ic2的vcc脚，所述隔离式dc/dc转换器s1的输出负端0v接信号地。当然，在其它实施例中，电源电路也可以采用现有的其它电源电路，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

如图4所示，本具体实施例中，所述计时电路采用型号为mc14541b的可编程定时器ic3来实现，定时器ic3的vdd脚接所述隔离式dc/dc转换器s1的输出正端+vo，定时器ic3的mr脚同时接igbt驱动芯片ic1和ic2的f脚，定时器ic3的q脚为使能信号输出脚，定时器ic3的其它管脚的电路连接详见图4，此不再细说，使得当定时器ic3开始计数时，定时器ic3的q脚输出低电平，当定时器ic3计数结束后，定时器ic3的q脚输出高电平(使能信号)。当然，在其它实施例中，也可以根据需要设定定时器ic3开始计数时，定时器ic3的q脚输出高电平，当定时器ic3计数结束后，定时器ic3的q脚输出低电平，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

当然，在其它实施例中，计时电路也可以采用现有的其它计时电路，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

如图3所示，本具体实施例中，光耦隔离电路包括光耦p1和npn三极管t1，所述光耦p1是由发光二极管和光电三极管组成的，所述光耦p1的发光二极管的正端串联电阻r10接控制信号，所述光耦p1的发光二极管的负端接地，所述所述光耦p1的光电三极管的集电极接定时器ic3的q脚和npn三极管t1的集电极，所述光耦p1的光电三极管的发射极接npn三极管t1的基极，所述npn三极管t1的发射极接igbt驱动芯片ic1和ic2的in脚，同时通过并联的电阻r11和电容c5接信号地。当然，在其它实施例中，光耦隔离电路也可以采用现有的其它光耦隔离电路，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

本具体实施例中，还包括电阻r15和电容c8，所述电阻r15和电容c8串联后接在该交流固态继电器的两输出端1和2之间，电阻r15和电容c8构成阻容吸收回路，提高igbt管t1和t2在电冲击下的生存能力。

工作过程：

正常工作时：当电阻r10前端给控制信号时，光耦p1导通，此时计时电路的q脚输出高电平，则igbt驱动芯片ic1和ic2的in脚处于高电平，igbt驱动芯片ic1和ic2的h0脚输出高电平，驱动igbt管t1和t2导通，则输出回路导通，该交流固态继电器处于导通状态。当输入端的控制信号去掉时，光耦p1断开，则igbt驱动芯片ic1和ic2的in脚处于低电平，igbt驱动芯片ic1和ic2的h0脚输出低电平，则igbt管t1和t2关断，该交流固态继电器处于关断状态。

短路保护原理：当该交流固态继电器处于导通状态，且负载发生短路，此时，输出回路的电流将急剧升高，该交流固态继电器的两个输出端1和2的电压将随着输出回路电流的增加而增加，当电压增加时，igbt驱动芯片ic1和ic2的cs脚的电压也上升，一旦该电压上升一定值时，igbt驱动芯片ic1和ic2判断为负载短路，igbt驱动芯片ic1和ic2的h0脚的输出将从正常的高电平迅速降低到零，使得igbt管t1和t2从导通状态转为关闭状态，进入短路保护状态，避免igbt管t1和t2因过大的短路电流而损坏。同时，igbt驱动芯片ic1和ic2的f脚将输出一个信号给定时器ic3的mr脚，使得计时电路开始工作，定时器ic3的q脚由高电平转为低电平，igbt驱动芯片ic1和ic2的in脚处于低电平，驱动igbt管t1和t2关断，当计时结束时，定时器ic3的q脚由低电平转为高电平，igbt驱动芯片ic1和ic2的in脚处于高电平，驱动igbt管t1和t2导通，如果此时负载的短路故障已经去除，则该交流固态继电器将开始正常工作；反之，如果此时负载仍然处于短路故障中，则该交流固态继电器又进入短路保护状态，直到一个新的计时周期结束，再判断负载是否仍然处于短路状态，如此循环。

本发明采用两个igbt管t1和t2反串联替代常用的可控硅，采用两个带短路保护的igbt驱动芯片ic1和ic2分别驱动igbt管t1和t2，利用igbt管t1和t2可以主动关断的特性，实现负载短路保护的功能，可靠性高，使用寿命长，且采用计时电路进行定期检测负载短路故障是否消失，以便在负载短路故障消失后，自动恢复正常工作状态，使用便捷，提高用户体验感，且电路结构简单，易于实现，成本较低。

当然，在其它实施例中，为节省成本，也可以取消计时电路，但是取消计时电路，则无法进行定期检测负载短路故障是否消失，以便在负载短路故障消失后，自动恢复正常工作状态。

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。