固态继电器的制作方法

本发明属于汽车零部件技术领域，特别涉及一种车用的大电流固态继电器。

背景技术

随着新能源、电动汽车的发展，原来汽车上一些由汽油发动机直接驱动的大功率负载如压缩机真空泵等无法再由发动机直接驱动了。同时控制这些负载切换的传统的电磁继电器的电器寿命无法超过整车的生命周期，而在到达寿命后又会产生安全风险，因而新能源车的发展催生了对大电流固态继电器的需求。

现有的汽车用固态继电器，主要采用英飞凌和st等厂家的智能高边mosfet。这些器件的优势是功能全面，用法简单，但是价格昂贵。并且由于这些智能mosfet内阻比较大，在固态继电器狭小的空间内(目前汽车用固态继电器普遍采用与plug-in电磁继电器相同的外形尺寸以及封装，以达到直接替换的目的，这导致了固态继电器的有效pcb面积只有20mm*20mm且由塑料外壳密封)，热量没有办法传导出去。对于电流比较小的固态继电器还是可以应付的。但是对于大电流的固态继电器则很难达到产品的热效能要求，特别是在环境温度很高的发动机舱。

本申请人已公开的专利文献cn107623511a，公开了一种带过流保护的包括nmos管的车用固态继电器，其特征在于，包括nmos管的漏极连接整车供电电源的正极，源极连接负载，栅极连接升压电路，固态继电器还包括与所述升压电路连接的mos管控制电路，mos管控制电路由固态继电器控制端电源供电，固态继电器还包括与所述mos管控制电路连接的过流保护电路，该过流保护电路与所述nmos管在漏极和源极并联，当固态继电器控制端电源上电后，mos管控制电路经过升压电路驱动nmos管导通，过流保护电路的作用是，当nmos管处于过流状态时，检测nmos管本身的导通电阻在过流情况下的压降，当过载电流大过阈值时，触发保护功能，关闭mos管控制电路，关断所述nmos管来实现对所述nmos管的过流保护。

技术实现要素：

本发明提供一种固态继电器，可以用于电动车的电气控制，也解决现有的车用固态继电器使用的mosfet管发热较大，成本较高，难以在现有的车用电气控制中直接替换传统的电磁继电器。

本发明的实施例之一，一种固态继电器，该固态继电器包括n型mosfet晶体管，所述n型mosfet晶体管的漏极连接汽车电池正极，n型mosfet晶体管的源极连接负载输入端，n型mosfet晶体管的栅极连接升压电路。所述n型mosfet晶体管的漏极还连接n型mosfet晶体管压降采集电路。所述固态继电器还包括开关逻辑控制电路，所述固态继电器的输入端a和输入端b接入开关逻辑控制电路。所述开关逻辑控制电路的功能是将连接输入端a和输入端b的外部输入至所述固态继电器的正或负的控制电平转换为所述n型mosfet晶体管的控制电平。开关逻辑控制电路的一路输出端连接升压电路，开关逻辑控制电路另一路输出端连接n型mosfet晶体管压降采集电路。

本发明的实施例之一，一种固态继电器，固态继电器包括lm5060，lm5060的gate脚连接n型mosfet晶体管的栅极，

lm5060的out脚经过电阻r48连接n型mosfet晶体管的源极，

lm5060的npgd脚经过电阻r51连接n型mosfet晶体管的漏极，

lm5060的timer脚经过电容c13接固态继电器的信号地，

lm5060的sense脚经过电阻r44连接n型mosfet晶体管的漏极,

lm5060的vin脚经过二极管d6连接n型mosfet晶体管的漏极，经过电容c9接固态继电器的信号地，

lm5060的ovp脚经过电阻r37连接n型mosfet晶体管的漏极，经过电阻r38接固态继电器的信号地，

lm5060的uvlo脚经过电阻r31连接n型mosfet晶体管的漏极，经过电阻r32接固态继电器的信号地，

lm5060的en脚经过电阻r23接固态继电器的信号地。

本发明根据普通n型mosfet内阻较低，价格非常便宜且对应各种封装的型号十分齐全的优点，利用小封装的普通的n型低内阻的mosfet管，采用电荷泵(chargepump)升压驱动，并且利用mosfet的内阻来作为短路以及过流的采样来实现过流保护和短路保护。由于普通n型mosfet内阻可以做到很低，低内阻可以显著的减小在大电流的情况下的产生的热。很好的解决了现有的车用mosfet管方案无法在传统的电磁继电器plug-in的外形尺寸上实现大电流的固态继电器的问题。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1本发明实施例中固态继电器的原理框图。

图2是本发明实施例中固态继电器电路原理图。

具体实施方式

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种固态继电器，该固态继电器用于电动车，用于替换车用电磁继电器的用途。该固态继电器包括n型mosfet晶体管，所述n型mosfet晶体管的漏极连接汽车电池正极，n型mosfet晶体管的源极连接负载输入端，n型mosfet晶体管的栅极连接电荷泵升压电路。

所述n型mosfet晶体管的漏极还连接n型mosfet晶体管压降采集电路。

所述固态继电器还包括开关逻辑控制电路，所述固态继电器的输入端a和输入端b接入开关逻辑控制电路。所述开关逻辑控制电路的功能是将连接输入端a和输入端b的外部输入至所述固态继电器的正或负的控制电平转换为所述n型mosfet晶体管的控制电平。开关逻辑控制电路的一路输出端连接升压电路，开关逻辑控制电路另一路输出端连接n型mosfet晶体管压降采集电路。

根据一个或者多个实施例，如图2所示，固态继电器包括lm5060，lm5060的gate脚连接n型mosfet晶体管的栅极，完成n型mosfet的升压控制，

lm5060的out脚经过电阻r48连接n型mosfet晶体管的源极，lm5060的sense脚经过电阻r44连接n型mosfet晶体管的漏极，通过lm5060完成对mosfet打开时压降的采集电路来完成过流保护和过呀保护。

lm5060的npgd脚经过电阻r51连接n型mosfet晶体管的漏极，可以作为预留的故障反馈输出端口。

lm5060的timer脚经过电容c13接固态继电器的信号地，可以调节mosfet短路和过流的响应速度，同时通过设定合适的电容值以滤掉mosfet在大电流打开和关闭产生的尖刺，以防止误打开和误关闭。

lm5060的sense脚经过电阻r44连接n型mosfet晶体管的漏极,

lm5060的vin脚经过二极管d6连接n型mosfet晶体管的漏极，经过电容c9接固态继电器的信号地，防止vin反接。

lm5060的ovp脚经过电阻r37连接n型mosfet晶体管的漏极，经过电阻r38接固态继电器的信号地，通过选取合适的r37和r38的值可以实现固态继电器的过压关闭功能。

lm5060的uvlo脚经过电阻r31连接n型mosfet晶体管的漏极，经过电阻r32接固态继电器的信号地，通过选取合适的r31和r32的值可以实现欠压关闭功能。

lm5060的en脚控制引脚通过开关滤波电路和开关电流回路，当coil_vcc与信号地之间达到一定的压差那么lm5060有效，驱动mosfet打开，固态继电器输出。当coil_vcc与信号地之间小于一定的压差那么lm5060无效，驱动mosfet关闭，固态继电器切断输出。

输入端a和输入端b并接电容c23和电阻r19的并联电路，电容c23和电阻r19的并联电路的一端接固态继电器的信号地，电容c23和电阻r19的并联电路的另一端经电阻r26接入lm5060的en脚。

n型mosfet晶体管的漏极经过稳压二极管dw2和二极管d3接固态继电器的信号地。

本实施例中lm5060是ti的热插拔保护器件，该器件的预期应用不包含固态继电器此类应用。lm5060高侧保护控制器提供高侧n沟道mosfet在正常开/关转换和故障条件下的智能控制。浪涌电流由输出电压几乎恒定的上升时间控制。当输出电压达到输入电压且mosfet完全接通时，电源良好输出指示。输入uvlo(具有滞后)提供，以及可编程输入ovp。启用输入提供远程开启或关闭控制。可编程uvlo输入可以用作安全冗余的第二启动输入。单个电容器程序启动初始vgs故障检测延迟时间，过渡vds故障检测延迟时间，以及连续过电流vds故障检测延迟时间。当检测到的故障持续时间比允许的故障延迟时间长时，mosfet被锁存，直到使能输入或uvlo输入切换到低电平然后高电平。lm5060单芯片包含chargepump电路以及过流短路采样保护电路正是使用普通n型mosfet来实现固态继电器所需要的。本实施例采用lm5060来实现n型mosfet的chargepump驱动以及对mosfet打开情况下的压降进行采样实现短路以及过流保护，对于车用固态继电器是首次采用的方案。

根据图2所示，本实施例中固态继电器的工作原理如下所述。

图中的kl30接常电，可以接汽车电池的正极。coil_vcc(输入端a)和signal_gnd(输入端b)相当于电磁继电器的线包电源和地，out端接负载。当coil_vcc上电后，lm5060的en脚有效，lm5060内部chargepump电路开始工作驱动gate端升压使n型mosfet晶体管q6打开，打开负载功率回路。当coil_vcc切断后，lm5060enpin无效关闭lm5060内部电路，将gate端电压拉低至sgnd使n型mosfet晶体管q6关闭。实现通过coil_vcc控制负载回路的通断。

lm5060通过对r44和r48对mosfet管q6打开时压降的采样来判断功率回路是否有短路或者过流。同时通过调节timerpin脚端的电容以及所选的mosfet的soa来设定短路检测以及过流保护的判断时间，已消除一些干扰信号，以保证正常工作情况下不会误判为短路过流。当负载真的短路或者过流的清下下，在比较短的时间内(mosfet的soa允许的区间内)关断mosfet，实现短路和过流保护。针对lm5060实现的短路保护的内部机制请参看lm5060的datasheet。

本实施例通过调节r31、r32、r37、r38可以实现过压以及欠压保护功能，实现过欠电压保护。特别是过压保护对负载而言，可以极大的提高使用寿命。这也是其他固态继电器无法实现的。

本实施例中，固态继电器目前是直接替换汽车用plug-in电磁继电器，所以pin脚也基本上与电磁继电器兼容。

本发明是具有通用型的方案，在实施例中，如果针对不同电流大小的固态继电器，只需要更换相应的mosfet晶体管并根据所选的mosfet管以及所需要的过流保护的阀值调整相应的保护设定。其通用性还表现在商用车24v系统也能够适用，此方案对于商用车24v系统而言只需要更换耐压值稍高的普通n型mosfet以及前期的保护电路，其成本比12v乘用车固态继电器高不了多少，具有非常大的竞争优势。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。