一种固态继电器的状态反馈电路和智能固态继电器的制作方法

1.本发明涉及固态继电器技术领域，具体涉及一种智能固态继电器的状态反馈电路、智能固态继电器和固态功率控制器。


背景技术：

2.固态继电器(ssr)利用半导体元件(如开关三极管、mosfet、可控硅)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”，可起到电气隔离和功率控制的作用。
3.智能固态继电器是在常规固态继电器上集成检测、保护、状态反馈以及通信功能的无触点开关，通常应用于航空、航天等高可靠领域。常规的智能固态继电器的状态反馈采用光电耦合元件采集输出电压、电流等有效信号，并以开关量的形式反馈到控制器。这种状态反馈方式功能单一，且需要持续的负载电压或电流，光电元件的功耗、开关回路的漏电流较大。
4.因此，需要提供一种固态继电器的状态反馈电路，能够对继电器的工作或故障状态进行准确实时反馈，以解决以上现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种固态继电器的状态反馈电路，能够对固态继电器的电压、电流和开关器件的工作状态进行实时反馈输出，在节约固态继电器功耗的同时，提高固态继电器工作的可靠性。
6.根据本发明的一个方面，提供一种固态继电器的状态反馈电路，包括电压检测电路、电流检测电路和状态输出电路，其中固态继电器包括控制电路、隔离驱动电路、功率开关电路。隔离驱动电路包括变压器，变压器一次侧绕组连接控制电路，变压器二次侧的第一绕组连接功率开关电路，变压器二次侧的第二绕组连接电压检测电路；电流检测电路与控制电路连接，用于检测控制电路输出的直流分量。电压检测电路和电流检测电路连接至状态输出电路，状态输出电路用于根据电压检测电路和电流检测电路的输出电平确定并输出固态继电器的状态。
7.上述固态继电器的状态反馈电路通过变压器耦合元件对电压、电流信号进行采集，能够节省器件功耗，能够对固态继电器的工作状态进行实时反馈，以便提高固态继电器的工作可靠性。
8.可选地，电压检测电路包括依次连接的第一整流电路和第一电压比较器，第一整流电路连接在变压器二次侧的第二绕组之间，用于为第一电压比较器提供第一比较电压；电流检测电路包括依次连接的第二整流电路和第二电压比较器，第二整流电路连接在控制电路的取样电阻与负控制端之间，用于为第二电压比较器提供第二比较电压。
9.可选地，当第一比较电压大于第一预设电压时，第一电压比较器输出高电平，当第
一比较电压小于第一预设电压时，第一电压比较器输出低电平；当第二比较电压大于第二预设电压时，第二电压比较器输出高电平，当第二比较电压小于第二预设电压时，第二电压比较器输出低电平。
10.可选地，状态输出电路为译码器，当控制电路的正控制端与负控制端之间的电压小于关断电压时，第一电压比较器输出低电平，第二电压比较器输出低电平，译码器输出继电器关断状态；当控制电路的正控制端与负控制端之间的电压大于接通电压时，第一电压比较器输出高电平，第二电压比较器输出低电平，译码器输出继电器导通状态。
11.可选地，开关电路包括驱动电路、开关组件和开关组件的检测保护电路，检测保护电路用于检测开关组件的结温、栅源电压或源极电流。
12.可选地，当开关组件的结温高于预设温度或者源极电流高于预设电流时，检测保护电路将开关组件栅源电压下拉，第一电压比较器输出低电平，第二电压比较器输出高电平，译码器输出继电器保护状态。
13.可选地，当开关组件的栅源电流大于预设电流或者开关组件的栅源电压高于预定电压时，第一电压比较器输出高电平，第二电压比较器输出高电平时，译码器输出继电器故障状态。
14.根据本发明的另一个方面，提供一种智能固态继电器，其中包括如上所述的状态反馈电路。
15.根据本发明的又一个方面，提供一种固态功率控制器，其中包括该智能固态继电器。
16.根据本发明的方案，通过变压器耦合元件进行固态继电器电压和电流信号的采集，并对开关器件的工作状态进行实时检测，能够实时检测固态继电器的工作状态，并进行实时反馈，能够在降低功耗的同时，提高固态继电器工作的可靠性，并且有利于固态继电器和固态功率控制器的集成化。
17.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
18.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1示出了根据本发明一个实施例的固态继电器的状态反馈电路结构框图；图2示出了根据本发明一个实施例的固态继电器的状态反馈电路的电路示意图；图3示出了根据本发明的一个实施例的检测保护电路的电流检测电路示意图；图4示出了根据本发明的一个实施例的检测保护电路的结温检测电路示意图。
具体实施方式
19.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例
所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
20.固态继电器一般包括控制电路、耦合隔离电路、驱动电路和开关器件，在工作时只要在控制电路的正控制端和负控制端之间加上一定的控制信号,就可以控制开关器件的通断,实现开关的功能。为了保证固态继电器的控制可靠性，还需要对其进行检测、保护和状态反馈。由于光电耦合器件开关速度快，可以传输脉冲信号，因此常规固态继电器的状态反馈采用光电耦合器件采集电压和电流信号，以开关量的形式反馈到控制器，但是光电元件的功耗较大，温度稳定性差，且在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不利于固态继电器保护的及时性。本方案提出一种基于变压器耦合的固态继电器状态反馈电路，能够对固态继电器的电压、电流、开关组件的工作特性进行实时状态检测。
21.图1示出了根据本发明一个实施例的固态继电器的状态反馈电路的结构示意图。如图1所示，固态继电器的状态反馈电路包括电压检测电路、电流检测电路和状态输出电路，固态继电器包括控制电路、隔离驱动电路、功率开关电路。其中，隔离驱动电路为变压器，变压器一次侧绕组l1连接控制电路，变压器二次侧的第一绕组l2连接功率开关电路，变压器二次侧的第二绕组l3连接电压检测电路。电流检测电路与控制电路连接，用于检测控制电路输出的直流分量。电压检测电路和电流检测电路连接至状态输出电路，状态输出电路用于根据电压检测电路和电流检测电路的输出电平确定固态继电器的状态。
22.其中变压器t中l1为控制电路的发射电感，l2为功率开关电路的接收电感，l3为电压检测电路的接收电感。l1、l2、l3主磁通通过磁芯或空间同轴实现近场耦合，电感相互耦合的有效匝数比n1：n2：n3。变压器初、次级电压、功率、电流符合以下关系：ul1：ul2：ul3=n1：n2：n3；功率pl1=pl2+pl3，即ul1il1=ul2il2+ul3il3；n1il1=n2il2+n3il3。在本发明的一个实施例中，变压器在固态继电器中不仅起到电气隔离和能量转换的作用，还可以实现对固态继电器的状态检测。
23.图2示出了根据本发明一个实施例的固态继电器的状态反馈电路的电路示意图。如图2所示，固态继电器的控制电路可以通过自激振荡为输入的控制信号提供一个回路，能够将直流的开关量信号转换为正弦波信号，以便正弦波信号在变压器电感中产生耦合。需要说明的是，图2中所示的控制电路的元件组成和连接方式仅是示例性的，还可以是其他能够产生自激振荡的电路，本方案对此不做限定。
24.如图2所示，功率开关电路可以包括开关组件和开关组件的检测保护电路，变压器l2输出端可以通过d1和c4组成的整流电路为开关组件提供驱动信号，检测保护电路可以对开关组件mosfet的结温、栅源电压或漏极电流等进行检测，开关组件可以为mosfet、igbt等功率器件，或者多个mosfet、igbt并联组成的功率模块。开关组件的输出端可以连接负载。
25.电压检测电路包括由二极管d2、电容c5构成的第一整流电路和第一电压比较器n1b，电流检测电路包括二极管d3、电容c6组成的第二整流电路和第二电压比较器n1a。第一整流电路连接在变压器二次侧的第二绕组l3之间，用于为第一电压比较器n1b提供第一比较电压vson；第二整流电路连接在控制电路的取样电阻r3与负控制端（控制-）之间，用于为第二电压比较器n1a提供第二比较电压vspr。当第一电压比较器n1b输入的第一比较电压vson大于第一预设电压vref1时，第一电压比较器n1b输出高电平“1”，当第一电压比较器n1b输入的第一比较电压vson小于第一预设电压vref1时，第一电压比较器n1b输出低电平“0”。当第二电压比较器n1a输入的第二比较电压vspr大于第二预设电压vref2时，第二电压比较器n1a输出高电平“1”，当第二电压比较器n1a输入的的第二比较电压vspr小于第二预设电压vref2时，第二电压比较器n1a输出低电平“0”。
26.如图2所示，当控制电路的正控制端（控制﹢）和负控制端（控制-）之间施加正向电压时，控制电路中可以通过自激振荡产生正弦交流信号，变压器电感（一次侧绕组）l1上的电流i1可以分解为直流分量idc1和交流分量iac1，i1产生的磁场同时与变压器二次侧的第一绕组l2和第二绕组l3耦合交联，交变磁场在l2上感生出的交流电压信号经二极管d1、电容c4整流后为检测保护电路和开关组件的栅极提供栅源电压vgs和驱动电流i2；交变磁场在l3上感生出的交流电压信号经二极管d2、电容c5整流后为第一电压比较器n1b提供输入比较电压vson。idc1主要通路经过r3，在r3上产生电压，r3上电压经二极管d3、电容c6整流滤波后为第二电压比较器n1a提供输入比较电压vspr。
27.如图2所示，在本发明的实施例中，状态输出电路为译码器n2，当控制电路的正控制端与负控制端之间的电压小于关断电压，即继电器不符合导通条件时，vson以及vspr均低于比较器n1b和n1a的设定值，第一电压比较器n1b输出低电平“0”，第二电压比较器n1a输出低电平“0”，译码器n2输出继电器关断状态。当控制电路的正控制端与负控制端之间的电压大于接通电压，即继电器符合导通条件时，开关组件的栅源电压vgs为高电位，开关组件正常导通，栅极为高阻态，i2很小，此时，第一电压比较器n1b的输入电压vson高于比较器n1b的设定值vref1，第一电压比较器n1b输出高电平“1”。由于l2和l3回路均为高阻抗，各自电流很小，所以iac1=（n2il2+ n3il3）/n1很小，idc1在r3产生的电压vspr小于比较器n1a的第二预设电压vref2，第二电压比较器n1a输出低电平“0”，译码器n2输出继电器导通状态。
28.其中，继电器的接通电压是指在输入端加该电压或大于该电压值时，输出端确保导通。关断电压是指在输入端加该电压或小于该电压值时，输出端确保关断。不同规格或型号的固态继电器，接通电压和关断电压是有差异的，可以根据继电器实际工作情况对状态反馈电路中的电压比较器的电压设定值进行调整。
29.由于固态继电器故障的大多数情况是功率半导体器件故障导致的，因此需要对开关器件的工作特性进行监测。mos管的相关参数有很多，在一般应用中，可以主要考虑漏源击穿电压vds、持续漏极电流id（如果漏极流过的电流超过该值，会引起击穿的风险）、导通电阻rds、最大耗散功率pd、接通电压vgs、开关时间、工作温度范围等参数。在本发明的一个实施例中，检测保护电路可以检测开关组件的结温、栅源电压或源极电流等敏感信号。图3示出了根据本发明一个实施例的检测保护电路中电流检测电路示意图。如图3所示，mosfet管的源极串联采样电阻rs后接继电器输出负端，漏极连接工作电压，栅极连接驱动电平。采样电阻rs接到三极管vs基极，也就是驱动电路的地，可以提高检测电路的抗干扰能力。
30.图4示出了根据本发明一个实施例的检测保护电路中结温检测电路示意图。如图4所示，mosfet管的源极接地，rt1和rt2并联在mosfet的源极和栅极之间，可以为掺杂电阻、二极管等温度敏感元件，可以将温度信号转换为电压信号。需要说明的是，检测保护电路可以是上述电流检测电路和结温检测电路中的一个，也可以是两者的并联。
31.当开关组件的结温高于预设温度时，检测保护电路的保护功能触发，即：采样电阻rs两端电压大于npn三极管vs发射极电压，开关组件的栅源电压vgs被强制拉低，三极管导通栅极由高阻态变为r0阻值，使得l2上的电流i2显著增大，il2增大导致iac1显著增大，反
映在r3的输出电压vspr大于第二电压比较器n1a的设定值vref2。此时，第二电压比较器n1a输出高电平“1”，同时，由于iac1显著增大，vspr增大，导致l1两端交流电压幅度降低，由于互感耦合关系导致l2及l3上交流电压幅度下降，第一电压比较器n1b的输入电压vson低于比较器n1b的设定值vref1，第一电压比较器n1b输出低电平“0”，译码器n2输出继电器保护状态。
32.当开关组件的漏电流大于预设电流或者开关组件的栅源电压高于预定电压时，第一电压比较器n1b输出高电平“1”，且第二电压比较器n1a输出高电平“1”，表征开关组件栅极漏电流偏大，同时栅极电压vgs较高，电源转换电路以及调制电路需要通过变压器传输功率较大,译码器n2输出继电器故障状态。
33.根据本发明的一个实施例，提供一种智能固态继电器，将上述状态反馈电路应用到固态继电器中，能够快速反馈固态继电器过热、过压、过流的问题，在功率开关器件过热时，能够自动采取降温措施，在固态继电器过压或过流时，能够自动断开继电器，防止继电器损坏。将该智能固态继电器应用到集成电路中，能够提高固态功率控制器的集成化和智能化。
34.通过上述方案，通过变压器耦合元件进行电压和电流信号的采集，并对开关器件的工作状态进行实时检测，能够及时检测固态继电器的工作状态，并进行实时反馈，能够在降低功耗的同时提高固态继电器工作的可靠性。
35.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
36.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
37.本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
38.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
39.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
40.此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
41.如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
42.尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。
43.因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。