固态继电器的制作方法

本公开涉及一种用于切换电力负载的固态继电器电路。本公开还涉及包括固态继电器电路的开关电路。

背景技术：

机电式继电器通常用于驱动电力负载，例如电动机、照明系统(例如led)或电源分配器。可以在从汽车发动机控制到铁路信号的不同应用中使用机电式继电器。在安全是关键的应用中，机电式继电器必须极其可靠。然而，归因于这些装置的机械性质，在使用期间可能会损坏移动零件(例如继电器衔铁)。此外，归因于机电式继电器的机械性质，机电式继电器由于衔铁的所需机械移动而具有低切换速度。此外，归因于可能随着机械零件降级而随时间降级的非想要的电磁干扰(electromagneticinterference；emi)，机电式继电器具有不良的电磁兼容性(electromagneticcompatibility；emc)行为。因此，倾向于用基于半导体的固态继电器来替换机电式继电器，且另外倾向于在先前使用机电式继电器的情况下改装固态继电器。

已知类型的固态继电器可包括低电流控制和高电流负载，低电流控制和高电流负载被光学地隔离。然而，光学隔离需要使用光耦合器，这与传统机电式继电器相比会显著地增加此类继电器的成本。

技术实现要素：

根据实施例，提供用于切换电力负载的固态继电器电路，固态继电器电路包括：继电器晶体管；和驱动器电路，驱动器电路包括恒定电流源；其中驱动器电路被配置和布置成可切换地操作继电器晶体管，且其中继电器晶体管被配置和布置成可切换地操作电力负载。

恒定电流源可包括：驱动器晶体管；第一电阻器，第一电阻器连接到驱动器晶体管的输入端；和至少一个二极管，至少一个二极管连接到驱动器晶体管的控制端；其中二极管和驱动器晶体管被布置成在第一电阻器两端产生恒定电压，且其中驱动器晶体管输出端直接连接到继电器晶体管的控制端且被布置成可切换地操作继电器晶体管。

恒定电流源可另外包括平衡电阻器，平衡电阻器连接在驱动器晶体管的输出端与继电器晶体管的控制端之间。

驱动器晶体管的输入端可以是发射极端；驱动器晶体管的控制端可以是基极端；驱动器晶体管的输出端可以是集电极端；且继电器晶体管的控制端可以是基极端。

驱动器晶体管的输入端可以是集电极端；驱动器晶体管的控制端可以是基极端；驱动器晶体管的输出端可以是发射极端；且继电器晶体管的控制端可以是基极端。

驱动器晶体管可以是pnp晶体管，且继电器晶体管可以是npn晶体管。驱动器晶体管可以是pnp晶体管，且继电器晶体管可以是pnp晶体管。驱动器晶体管可以是npn晶体管，且继电器晶体管可以是npn晶体管。驱动器晶体管可以是npn晶体管，且继电器晶体管可以是pnp晶体管。

驱动器晶体管可以是低功率晶体管，且继电器晶体管可以是高功率晶体管。

恒定电流源可另外包括第二电阻器，第二电阻器被配置成允许二极管导电且向驱动器晶体管提供基极电流。

启用线可被配置和布置成可切换地控制驱动器电路。开关可被配置和布置成可切换地控制驱动器电路。开关或启用线可由脉冲宽度调制电路控制。开关或启用线可以可切换地连接到驱动器晶体管的控制端。

附图说明

在附图和以下描述中，类似参考数字指代类似特征。

在下文中参考附图而仅作为例子来另外描述本发明，在附图中：

图1示出低侧继电器电路的电路图；

图2示出高侧继电器电路的电路图；

图3示出根据使用恒定电流源的低侧固态继电器电路的实施例的电路图；

图4示出根据使用恒定电流源的低侧固态继电器电路的实施例的电路图；

图5示出根据使用恒定电流源的高侧固态继电器电路的实施例的电路图；

图6示出根据使用恒定电流源的高侧固态继电器电路的实施例的电路图。

图7示出根据使用恒定电流源的低侧固态继电器电路的实施例的电路图；

图8示出根据使用恒定电流源的高侧固态继电器电路的实施例的电路图；

图9示出根据使用恒定电流源的低侧固态继电器电路的实施例的电路图；以及

图10示出根据使用恒定电流源的高侧固态继电器电路的实施例的电路图。

具体实施方式

图1中示出已知的低侧开关机电式继电器电路100。继电器电路100包括机电式继电器102，机电式继电器102可切换地控制连接到电源线的负载104。继电器102包括电线圈106和可切换衔铁108，可切换衔铁108可在第一继电器触点110与第二继电器触点112之间移动。开关114可操作以允许电流通过线圈106从电源线流到地面，且当此电流流动时，继电器102操作以使衔铁108在第一继电器触点与第二继电器触点之间移动，以便连接电源线与地面之间的负载，由此可切换地操作负载104。由于负载104与地面之间的继电器102的可切换衔铁108的布置，此继电器电路100被称为“低侧”电路。相反地，图2中示出已知的高侧开关机电式继电器电路100'，其中类似参考数字指代图1的类似特征。由于负载104与电源线之间的继电器102的可切换衔铁108的布置，图2的电路是“高侧”电路。当开关114接通时，图1和图2的机电式继电器102由通过线圈从电源线流到地面的电流可切换地控制。继电器的切换因此控制负载104的操作。

图3示出开关电路300的电路图。开关电路300可包括根据实施例的固态继电器电路302、开关304，和待可切换地控制的电力负载306。电力负载306可由固态继电器电路302可切换地控制。固态继电器电路302可包括驱动器电路308，其中驱动器电路308可被布置成可切换地操作继电器晶体管310。电力负载306和开关电路302可通过电压供应线vs供电。

驱动器电路308可以是恒定电流源。驱动器电路308可包括被布置成响应于开关304接通而可切换地操作继电器晶体管310的驱动器晶体管312。驱动器电路308可另外包括第一二极管314和第二二极管316，以及第一电阻器322和第二电阻器320。第一二极管314和第二二极管316可正向偏压串联连接在电压供应线vs与驱动器晶体管312的基极之间。第一电阻器322连接在驱动器晶体管312的发射极与电压供应线vs之间。继电器晶体管310可以是npn晶体管，且驱动器晶体管312可以是pnp晶体管。开关304可以可切换地连接在地面与第二电阻器320之间。

第二电阻器320可连接在驱动器晶体管312的基极与开关304的端之间。此第二电阻器320允许适当的电流从电压供应线vs流到地面，由此向驱动器晶体管312提供基极电流。可选择第二电阻器320的电阻，以便在允许第一二极管314和第二二极管316导电的同时，使从电压供应线vs到地面的泄漏电流保持低，通常为大约2ma。第二电阻器两端的电压降应使得允许第一二极管314和第二二极管316导电。就此而言，第二电阻器320不但为两个二极管314和316设置操作条件，而且还限制从电压源线vs到地面的任何泄漏电流。二极管314和二极管316中的每一个二极管展现正向电压降vf。二极管314与二极管316的组合正向电压降减去pnp驱动器晶体管312的基极-发射极电压vbe在第一电阻器322两端产生恒定电压，因此在继电器晶体管310的基极上产生恒定电流。

因此，第二电阻器320的选择是最小化泄漏电流与提供电流之间的折衷，所述电流是足以在电压供应线vs处的低(例如在汽车应用中为6伏特至16.8伏特)供应电压下切换驱动器电路308的驱动器晶体管312的电流。

开关304可以是被布置成可切换地操作固态继电器电路302的任何适当开关。例如，开关304可形成外部控制电路(未示出)的部分。电力负载306可连接在继电器晶体管310的集电极与电压供应线vs之间。继电器晶体管310的发射极可以连接到地面。电力负载306相对于继电器晶体管310和电压供应线vs的此布置可被视为“低侧”配置。例如，在操作期间，电压供应线vs上的供应电压可介于6伏特与16.8伏特之间。此供应电压范围对于汽车应用是典型的。然而，本领域的技术人员将了解，操作原理适用于任何供应电压。

驱动器晶体管312的集电极(其充当驱动器电路308的输出端)可连接到继电器晶体管310的基极。驱动器晶体管的发射极可充当驱动器晶体管的输入端，且驱动器晶体管的基极可充当控制端。继电器晶体管310的基极可被视为继电器晶体管310的输入端。在此实施例中，驱动器电路308的输出端可以是驱动器晶体管312的集电极，且可以直接连接到继电器晶体管310的基极，即，在它们之间不需要任何中间组件或装置。

本领域的技术人员将了解，虽然上述实施例利用两个二极管，但如果已实现必要的电压降，那么可用一个或多个二极管来实施所述实施例。

在操作中，驱动器电路308响应于开关304的操作而可切换地操作继电器晶体管310。当开关304接通以便将第二电阻器320连接到地面时，驱动器电路308将操作以便向继电器晶体管310的基极提供恒定电流。二极管314和二极管316中的每一个二极管展现正向电压降。二极管314与二极管316的组合正向电压降减去pnp驱动器晶体管312的基极-发射极电压(vbe)在第一电阻器322两端产生恒定电压，因此在继电器晶体管310的基极上产生恒定电流。

就此而言，驱动器晶体管312接通，且电流通过驱动器晶体管312从电压供应线vs流到继电器晶体管310的基极，因此接通继电器晶体管310。由于继电器晶体管接通，故电流通过继电器晶体管310从电压源流到地面，使得负载接通。以此方式，负载306由继电器晶体管310响应于驱动器电路308的操作而可切换地操作。

结果，通过可切换地操作继电器晶体管310，开关304使用驱动器电路308中的相对低电流而操作以控制负载306的相对较大电流。就此而言，本领域的技术人员将明白，驱动器晶体管312的额定操作功率可相对低于继电器晶体管310的额定操作功率。

如所提及，开关304可以是任何适当的开关构件或控制电路。例如，开关可以是由脉冲宽度调制(pwm)电路的输出端控制的晶体管。以此方式，将已调制信号应用于开关可引起经由驱动器电路308和继电器晶体管310而对电力负载306进行脉冲宽度调制。本领域的技术人员将了解，因为此处不需要机械移动来切换负载，所以固态继电器电路300的切换响应时间可远远大于常规机电式继电器的切换响应时间。

在操作期间，继电器晶体管310的功率耗散由驱动器电路308控制。归因于二极管314、二极管316两端的电压降和驱动器晶体管312的基极-集电极电压降，在地面上方，继电器晶体管310的基极通常小于2伏特。结果，来自电压源vs的剩余功率耗散是在驱动器电路308中产生的继电器晶体管310的基极电流的乘积。在供应电压的范围为6伏特至16.8伏特的情况下，继电器晶体管310的基极电流的功率耗散可造成非想要的加热。这可能会潜在地对继电器晶体管310造成热损坏。此外，在组件集成在单个管芯上的情况下，此加热可能会对周围组件造成热损坏。

然而，由于串联连接的第一二极管314和第二二极管316的组合电压降以及驱动器晶体管312的基极-发射极电压具有负的热系数，故驱动器电路308的输出电流可随着温度上升而减少。由于此温度上升，继电器晶体管310的基极电流(即，驱动器晶体管312的输出电流)将减少，且可以减少到使得继电器晶体管310且因此负载可能无法操作的程度。

图4示出开关电路400的电路图。如同图3的实施例，开关电路400可包括根据实施例的固态继电器402、开关404，和待可切换地控制的电力负载406。电力负载406可由固态继电器电路402可切换地控制。固态继电器电路402可包括驱动器电路408，其中驱动器电路可被布置成可切换地操作继电器晶体管410。电力负载406和固态继电器402可由电压供应线vs供电。

如同图3的电路，图4的驱动器电路408可以是恒定电流源。驱动器电路408可包括被布置成响应于开关404接通而可切换地操作继电器晶体管410的驱动器晶体管412。驱动器电路408可另外包括第一二极管414和第二二极管416以及第一电阻器420和第二电阻器422。第一二极管414和第二二极管416串联连接在电压源与驱动器晶体管412的基极之间。第一电阻器422连接在驱动器晶体管412的发射极与电压供应线vs之间。继电器晶体管410可以是npn晶体管，且驱动器晶体管可以是pnp晶体管。开关404可以可切换地连接在地面与第二电阻器420之间。

第二电阻器420可连接在驱动器晶体管412的基极与开关404之间。当开关接通时，此第二电阻器420可允许适当的基极电流从电压供应线vs流到地面，由此向驱动器晶体管412提供基极电流。可选择第二电阻器420的电阻，以便在允许第一二极管414和第二二极管416导电的同时，使从电压供应线到地面的泄漏电流保持低。第二电阻器两端的电压降应使得允许第一二极管414和第二二极管416导电。就此而言，第二电阻器420不但为两个二极管414和415设置操作条件，而且还限制从电压源线vs到地面的任何泄漏电流。二极管414和二极管416中的每一个二极管展现正向电压降vf。二极管414与二极管416的组合正向电压降减去pnp驱动器晶体管412的基极-发射极电压vbe在第一电阻器422两端产生恒定电压，因此在继电器晶体管410的基极上产生恒定电流。

因此，第二电阻器420的选择是最小化泄漏电流与提供电流之间的折衷，所述电流是足以在电压供应线vs处的低(例如在汽车应用中为6伏特)供应电压下切换驱动器电路408的驱动器晶体管410的电流。

开关404可以是被布置成可切换地操作固态继电器402的任何适当开关。例如，开关404可形成外部控制电路(未示出)的部分。电力负载406可连接在继电器晶体管410的集电极与电压供应线vs之间。电力负载406相对于继电器晶体管410和电压供应线vs的此布置可被视为“低侧”切换配置。例如，在操作期间，电压供应线vs上的供应电压可介于6伏特与16.8伏特之间。此供应电压范围对于汽车应用是典型的。然而，本领域的技术人员将了解，操作原理适用于任何供应电压。

驱动器晶体管412的集电极(其充当驱动器电路408的输出端)可经由第三功率平衡电阻器424而连接到继电器晶体管410的基极。与图3的实施例相比，此另外一个电阻器(第三平衡电阻器424)用于平衡驱动器电路408与继电器晶体管410之间的功率耗散。原则上，驱动器晶体管412的电压降vs减去vbe与来自驱动器电路的电流的乘积是功率耗散损失。为了放宽对驱动器电路408的功率耗散的要求，可在第三电阻器424与驱动器电路408之间划分此电压降。通过选择具有极高电流增益hfe的继电器晶体管412，有可能用来自驱动器电路408的低驱动电流来操作开关电路400，使得在继电器晶体管412中耗散功率且可将加热分布到第三平衡电阻器424。如果在驱动器电路408中耗散了过多的功率，那么驱动器电路408可递送较少的电流，使得可有利的是将驱动器电路外部的功率耗散移到第三平衡电阻器424。

另外，还可在较小管芯上制得继电器晶体管410，从而节省生产成本。对于给定驱动器电流，可平衡驱动器电路408以及第三平衡晶体管424和晶体管412中的热损失。这可(例如)在如下情况下有帮助：如果驱动器电路408的热能力小，或如果驱动器电路408和继电器晶体管410集成在一个封装中，那么第三平衡电阻器424可有助于使部分驱动器电路耗散在此封装外部。

除了上述功率耗散第三电阻器424之外，图4的实施例在操作上等同于图3的实施例。

本领域的技术人员将了解，上文所描述的实施例中的每一个实施例示出低侧切换布置。然而，实施例还可实施为“高侧”切换布置。

图5和图6示出根据另外实施例的“高侧”开关电路的电路图。具体参考图5，开关电路500可包括根据实施例的固态继电器502、开关504，和待可切换地控制的电力负载506。电力负载506可由固态继电器502可切换地控制。固态继电器502可包括驱动器电路508，其中驱动器电路可被布置成可切换地操作pnp继电器晶体管510。电力负载506和固态继电器502可由电压供应线vs供电。本领域的技术人员将明白，除了pnp继电器晶体管510之外，此实施例的结构与图4的结构相同，但其中图5的布置被配置为高侧切换布置。

相似地，在图6的实施例的状况下，本领域的技术人员将明白，除了pnp继电器晶体管610之外，此实施例的结构与图3的低侧实施例相反。

现在参考图7和图8，其示出使用npn驱动器晶体管所实施的相应高侧与低侧电流控制固态继电器电路。关于图7的布置，固态继电器电路700可包括根据实施例的固态继电器702、开关704，和待可切换地控制的电力负载706。电力负载706可由固态继电器702可切换地控制。固态继电器702可包括驱动器电路708，其中驱动器电路708可被布置成可切换地操作继电器晶体管710。电力负载706和固态继电器702可由电压供应线vs供电。

驱动器电路708可包括被布置成响应于开关704接通而可切换地操作继电器晶体管710的npn驱动器晶体管712。继电器晶体管710可以是npn晶体管。驱动器电路708可另外包括第一二极管714和第二二极管716以及第一电阻器722。第一二极管714和第二二极管716串联连接在驱动器晶体管712的基极与继电器晶体管710的集电极之间。第一电阻器722连接在驱动器晶体管712的发射极与继电器晶体管710的集电极之间。

第二电阻器720可连接在驱动器晶体管712的基极与开关704之间。此第二电阻器720可允许适当的基极电流从电压供应线vs流到地面。可选择第二电阻器720的电阻，以便在允许第一二极管714和第二二极管716导电的同时，使从电压供应线vs到地面的泄漏电流保持低。

开关704可以是被布置成可切换地操作固态继电器702的任何适当开关。例如，开关704可形成外部控制电路(未示出)的部分。开关704可以可切换地连接在电压供应线vs与第二电阻器720之间。电力负载406可连接在继电器晶体管710的集电极与电压供应线vs之间。电力负载706相对于继电器晶体管710和电压供应线vs的此布置可被视为“低侧”切换布置。

图8的实施例示出利用npn驱动器晶体管812的“高侧”切换布置。本领域的技术人员将了解，除了继电器晶体管810呈高侧布置之外，此配置的操作相似于图7的操作。

图7和图8的实施例中的npn驱动器晶体管的布置可在高操作电流(通常高于50ma)下提供改善的线性。

图9和图10示出图7和图8中所呈现的那些实施例的替代性实施例。在图9和图10的实施例中，相应的npn驱动器晶体管912、npn驱动器晶体管1012连接到相应的启用线940、启用线1040。相应的启用线940、启用线1040允许由与电压源vs分离的电压控制固态继电器，且因此有可能具有恒定电流。在操作期间，即使当供应电压vs在(例如)6v至16.8v的范围内变化时，被提供在启用线上的恒定启用电压(例如，控制ic(未示出)的5v或3,3v输出)仍会在二极管两端给出恒定电压。以此方式，具有不同vs的两个二极管的正向电压vf的变化较少，且恒定输出电流保持稳定。此外，以便从驱动器电路实现高输出电流，例如100ma。如果晶体管912、晶体管1012具有为200的电流增益hfe，那么进入晶体管912、晶体管1012的基极电流将为500μa。因此，第二电阻器920、第二电阻器1020和启用线上电压的选择需要使得第二电阻器920、第二电阻器1020两端的电压降比二极管的组合正向电压降大两倍，否则二极管将不导电。此外，晶体管912、晶体管1012的基极电流应使得保留足以使二极管导电的电流。因此，第二电阻器920、第二电阻器1020和启用线上电压的选择需要使得第二电阻器920、第二电阻器1020两端的电压降允许二极管导电。因此，可基于启用电压来选择第二电阻器920、第二电阻器1020，使得驱动器晶体管912、驱动器晶体管1012能够被正确地操作，即，为操作提供足够的基极电流。

通过为电阻器920、电阻器1020选择适当的电阻值，启用电压可提供足以允许二极管导电的电流，且仍为晶体管912、晶体管1012递送足够的基极电流。随后，驱动器电路将递送恒定电流。

与供应电压相比，启用电压可通常是恒定的。在此类汽车应用中，供应电压可在6伏特与16.8伏特之间变化。由于供应电压的变化性，可能存在如下情况：供应电压下降到低于最优电平，且因此驱动器电路可不切换继电器晶体管。通过使用恒定启用电压，可以消除供应电压变化的问题。

启用线可由微控制器或其它适当的控制电路(未示出)控制/提供。

基于以上公开，本领域的技术人员将了解，根据实施例的驱动器电路可被布置成离散组件。这些离散组件可被布置成在独立式印刷电路上或作为较大系统的部分。此外，驱动器电路可作为独立式ic或作为较大ic的部分被布置成在集成电路(ic)上，或包括装配在一个封装内的一个或多个离散芯片。组件可被集成在一起(包括开关)，或如所提及，开关可形成外部控制电路(为示出)的部分。本领域的技术人员还将了解，驱动器电路可被封装使得驱动器电路具有与已知电磁继电器的形状因子等同的形状因子。可替换的是，由于能够以微米级或甚至次微米级比例来制造电子组件(例如上文所论述的类型的晶体管、电阻和二极管)，故所论述类型的固态继电器电路可比常规机电式类型的继电器占据面积更小且重量更轻。

与机电式继电器相比，由于对继电器的切换速度不存在机械限制，故根据实施例的固态继电器电路可被更快地切换。此产生能够由pwm控制的固态继电器电路。因此，可借助于不同的占空比(即，负载接通的切换时段的百分比)来调节到负载的功率。由pwm控制负载会有利于控制负载的切换速度。此将更好地控制(从停止到全速)在电风扇、窗户升降杆等中使用的dc电动机。因此使这些电动机适合于物联网应用中的低功率操作，例如家庭自动化。此外，且由于pwm和低功率操作，与机电式继电器相比，根据实施例的固态继电器可潜在地节省能量，这是减低co2排放的关键驱使因素。此外，对于固态继电器而言，接通继电器时的浪涌电流将较低，从而引起较低的功率消耗。

此外，通过逐渐从低到高和低到高调节pwm的占空比，机械式继电器的硬切换可被固态(或软)切换替换，所述硬切换会产生电磁干扰(emi)，所述固态(或软)切换允许在具有明显较少的emi以及通常由机电式继电器的机械操作产生的较少可听噪声的情况下顺畅地接通和断开。实际上，随时间推移，机电式继电器可产生所谓的接触颤动(由机械磨损所导致的电弧击穿)，因此产生增加的emi。然而，由于根据实施例的固态继电器不具有移动的机械零件，故所述固态继电器将不会随时间推移而磨损。此在许多领域中(例如在车联网中)具有独特的优点，其中电磁干扰应最小化，以避免对车辆控制造成严重的安全干扰。在上文所呈现的实施例中的每一个实施例中，固态继电器可受到电流控制，因此在控制方面为电流控制机电式继电器的类似替换件提供类似的电流控制。

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