[发明专利]具有低导通电阻和线性操作的光学隔离锁存固态继电器

说明书

锁存继电器包括供电端子、负载端子、第一耦合电路和第二耦合电路、锁存电路、第一晶体管和第二晶体管、以及耦接到电容器的本地供电节点。在一个示例中，供电端子与供电节点耦接，并且负载端子与负载耦接。第一晶体管和第二晶体管控制耦接到负载的驱动晶体管的导通性。微控制器控制锁存继电器导通和断开负载。为了启用负载，微控制器汇流来自供电端子的电流并将其汇流通过第一耦合电路。当负载启用时，电容器放电。锁存继电器可在刷新模式下操作，其中电流搏动通过第一耦合电路，使电容器自供电端子重新充电。为了禁用负载，微控制器将电流汇流通过第二耦合电路。

技术领域

本发明总体涉及封装的电子设备，尤其涉及开关继电器。

背景技术

锁存继电器通常用于开关应用以导通和断开负载。导通后，锁存继电器保持锁存在导通状态，并保持负载导通直到锁存继电器断开为止。一种常见类型的锁存继电器使用电磁铁来机械操作开关。这些机械类型的继电器往往易受损坏。例如，由于掉落引起的冲击可能损坏继电器的内部机械部件，使继电器不能工作。另一种常见类型的开关继电器是固态继电器。传统的固态继电器使用可控硅整流器(SCR)来使负载导通并保持导通状态。这些传统的固态继电器通常需要单独的电源以保持锁存在导通状态。另外，传统的固态继电器往往具有不希望的工作特性。需要一种克服这些挑战的解决方案。

发明内容

锁存继电器包括供电端子、负载端子、第一耦合电路和第二耦合电路、锁存电路、第一晶体管和第二晶体管、以及耦接到电容器的本地供电节点。锁存继电器是一种具有封装端子的分立封装的电力半导体设备。供电端子和负载端子是锁存继电器的封装端子。锁存继电器由例如微控制器的外部信令机构控制，以使负载导通，将负载保持在导通状态，然后使负载断开。供电端子耦接到供电节点，并且负载端子耦接到负载。第一晶体管和第二晶体管控制耦接到负载的驱动晶体管的导通性。在一个实施例中，驱动晶体管在锁存继电器的封装内，并且在另一实施例中，驱动晶体管在锁存继电器的封装的外部。

第一耦合电路和第二耦合电路涉及任何电磁能量耦合方法，该方法包括光学的、电感的或电容的方法。在一个示例中，第一耦合电路和第二耦合电路是使用光学耦合技术的光耦合器电路。第一光耦合器包括发光二极管(LED)以及光伏堆叠和光电二极管(PVSPD)电路。PVSPD电路包括光伏堆叠和光电二极管。PVSPD电路的光伏堆叠用于启用锁存继电器的刷新模式。PVSPD电路的光电二极管用于接通锁存继电器。第二光耦合器电路包括LED和光电二极管电路。第二光耦合器的光电二极管电路用于禁用锁存继电器并断开负载。第一光耦合器电路和第二光耦合器电路确保控制侧的地与负载侧的地隔离。

为了启用负载，微控制器汇流来自供电端子的电流并将其汇流通过第一光耦合器电路。将电流汇流通过第一光耦合器电路使第一光耦合器电路的LED辐射由光电二极管检测到的能量。启用光电二极管，使锁存电路切换由锁存电路输出的数字逻辑电平。锁存电路的输出转而导致晶体管的导通，从而控制驱动晶体管导通。一旦驱动晶体管导通，则电流从负载电源的正端子经由负载、经由驱动晶体管流到负载的负端子。与使用SCR实现的传统锁存继电器不同，该锁存继电器表现出线性工作特性。在一个示例中，锁存继电器包括：MOSFET晶体管，与SCR相比，MOSFET晶体管表现出更期望的线性工作特性。

根据一个新颖方面，本地供电节点对锁存继电器内的电路系统供电。该电路系统包括第一光耦合器电路和第二光耦合器电路、锁存电路和晶体管。本地供电节点由电容器供电。当锁存继电器锁存在导通状态时，本地供电节点在不消耗来自负载侧的能量的情况下对锁存继电器电路系统供电以保持导通状态，这是因为当驱动晶体管处于导通状态时没有可用的电压。在启用负载时，存储在电容器中的能量被锁存继电器电路系统消耗，锁存继电器电路系统包括保持负载导通的驱动晶体管的栅极。随着存储在电容器中的能量减少，本地供电节点上的电压开始降低。如果本地供电节点上的电压降低到最低工作电压以下，则将不再保持驱动晶体管的栅极，从而断开驱动晶体管。为了避免本地供电节点上的电压不期望地降低到最低工作电压电平以下，锁存继电器在刷新模式下操作以刷新电容器并将本地供电节点上的电压保持在最低工作电压电平之上。