一種大功率直流固態電子開關

關鍵詞：電子開關；固態；大功率

圖1基本原理框圖

在自動測量設備、儀器儀表、直流配電設備中經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。隨著電子技術的進步，已開始將半導體器件作為固態電子開關來應用，本文介紹了一種實現方法。

1主要技術指標

1）電子直流開關最高輸入電壓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,電子開關導

通，無信號時，關斷；

5）工作溫度－40℃～＋55℃。

此電子開關的基本原理框圖如圖1所示。

本電子開關采用N溝道功率MOS管作為開關器件，當對控制端子施加高電平（≥2V）時，由SE555MJG（簡稱555）定時集成電路構成的懸浮升壓電路工作，產生懸浮于MOS管S極電平的正驅動電壓Ugs大約為15V左右，MOS管導通；當控制端子電壓為0電平時，則555構成的控制電路停止工作，MOS管關閉。

2控制電路的構成

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

1）555電路結構框圖及引腳功能

圖2給出了555定時器內部電路結構框圖及引腳功能,其內部包括兩個電壓比較器，一個分壓器，一個RS觸發器，一個放電晶體管和一個功率輸出級。

2）555定時器電路構成的方波脈沖發生器

在555定時器外只須加兩個電阻，一個電容就可構成方波脈沖發生器。實際電路如圖3所示。現將原理簡述如下：當脈沖發生器剛接通電源時，由于電容CT上尚無電荷累積，腳2、腳6處于0電平，導致內部比較器A1的輸出，即RS觸發器R端的輸入為1；比較器A2的輸出，即RS觸發器S端的輸入為0，從而使

圖4電子開關原理圖

圖2555電路結構框圖及引腳功能

圖3方波脈沖發生器

RS觸發器的Q端置1，輸出腳3為高電平。此后，電源VCC經電阻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觸發器的R端變為0，S端為1，從而使RS觸發器Q端置0，腳3由高電平變為低電平。放電晶體管VT導通，電容CT經RB和放電管放電，電容電壓uC下降，當uCVCC時，輸出腳3由低到高，電容CT再次充電。此過程周而復始，形成振蕩。通過計算可知，其振蕩頻率
f=1.433/(RA＋2RB)CT

導通時間為

ton=0.693CT(RA＋RB)

3控制電路的功能分析

電子開關原理圖如圖4所示。其中控制電路的供電電源是由R1、D1、R3、C1和V1組成的線性穩壓降壓電路組成。R1、D1、C1為V1提供基準電壓，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生器電路，當控制信號為高電平時，該高電平信號經R9、R10分壓后加在V2管的基極上，V2導通，使定時器555電路腳1接地，脈沖發生器開始工作，使腳3輸出幅度為15V的方波脈沖信號，該脈沖發生器頻率按圖4中參數計算為38kHz左右。 C6、C5、C4、V5、V6構成“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V5給C5、C4串聯充電，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上電壓串聯給C5、C4充電，這樣重復操作，C5、C4逐漸充電，達到穩定時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，經過R6驅動功率MOS管導通，最終實現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IXFM75N10，參數為100V，75A，0.02Ω。TO?204AA封裝。

4結語

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