專利名稱：固態(tài)繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保護開關(guān)元件不被雷擊浪涌破壞的固態(tài)繼電器(SSR)，特別涉及對于開關(guān)元件截止時的雷擊浪涌，強制導(dǎo)通開關(guān)元件來進行保護的固態(tài)繼電器(SSR)。
圖4表示現(xiàn)有的固態(tài)繼電器的一例主要部分結(jié)構(gòu)圖。在圖4中，固態(tài)繼電器(SSR)50包括輸入電路2、光電耦合器3、電阻器R1、晶閘管4、浪涌吸收器5；在輸入端子I1、I2間施加直流電源VDC(或交流電源Vac)并在輸出端子O1、O2上連接負載LD，在負載LD上施加交流電源VAC。而且，負載LD由電阻器、燈、真空管、電磁離合器等構(gòu)成。
輸入電路2由序列發(fā)生器等控制電路構(gòu)成，使負載LD流過交流電流，或為了停止，而將控制作為開關(guān)元件的晶閘管4的導(dǎo)通/截止的控制信號供給光電耦合器3的發(fā)光二極管。
光電耦合器3由發(fā)光二極管和雙向光電晶閘管構(gòu)成，一旦從輸入電路2供給控制信號(例如，直流電流)，發(fā)光二極管就發(fā)光，并使受光的光電晶閘管成為導(dǎo)通狀態(tài)，在電阻器R1、晶閘管4的電阻器R2中就流過交流電流。
晶閘管4由作為雙向交流開關(guān)的三端雙向可控硅開關(guān)元件構(gòu)成，構(gòu)成開關(guān)元件，如果電阻器R2的電壓降(柵極電壓)達到規(guī)定值，則三端雙向可控硅開關(guān)元件成為雙向?qū)顟B(tài)，另一方面，如果電阻器R2的電壓降(柵極電壓)低于保持電壓，則三端雙向可控硅開關(guān)元件變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。
一旦電阻器R2中流過交流電流而產(chǎn)生規(guī)定的電壓降，則晶閘管4變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，因晶閘管4的低阻抗而使輸出端子O1、O2間短路，從而在負載LD中流過交流電流，驅(qū)動負載LD。
另一方面，一旦來自輸入電路2的控制信號(例如，直流電流)停止，則光電耦合器3截止，晶閘管4也截止，因使輸出端子O1、O2間開路，從而使交流電流中斷，停止負載LD的驅(qū)動。
另外，由于光電耦合器3采用雙向光電晶閘管，晶閘管4采用三端雙向可控硅開關(guān)元件，所以可以對每半周期中極性變化的交流進行轉(zhuǎn)換。此外，光電耦合器3可以將輸入電路2側(cè)的直流和晶閘管4側(cè)的交流隔離開。
浪涌吸收器5與晶閘管4并聯(lián)連接并配置在輸出端子O1、O2側(cè)，在輸電線中感應(yīng)的重疊在交流電源VAC上的雷擊浪涌經(jīng)負載LD產(chǎn)生在輸出端子O1、O2上的情況下，由浪涌耐受量確定，將其抑制到低于晶閘管4的最大額定值的浪涌電壓(浪涌吸收)，而構(gòu)成保護晶閘管4不受雷擊浪涌破壞的結(jié)構(gòu)。
圖5表示現(xiàn)有的固態(tài)繼電器的另一例主要部分結(jié)構(gòu)圖。在圖5中，固態(tài)繼電器(SSR)60包括輸入電路2、PD(光電二極管)陣列耦合器9、電阻器R3、n溝道MOS型FET(場效應(yīng)晶體管)10、浪涌吸收器5；在輸入端子I1、I2間施加直流電源VDC(或交流電源Vac)并在輸出端子O1、O2上連接負載LD，在負載LD上施加交流電源VAC。
輸入電路2由序列發(fā)生器等控制電路構(gòu)成，在負載LD上流過交流電流，或為了停止運行，將控制作為開關(guān)元件的串聯(lián)連接的FET10(Q1和Q2)的導(dǎo)通/截止的控制信號供給PD(光電二極管)陣列耦合器9的發(fā)光二極管。
PD(光電二極管)陣列耦合器9由發(fā)光二極管和串聯(lián)連接的n個光電二極管構(gòu)成，一旦從輸入電路2供給控制信號(例如，直流電流)，則發(fā)光二極管發(fā)光，受光的n個光電二極管產(chǎn)生規(guī)定的電壓n×VD(VD是二極管的正向電壓約0.6V)，在電阻器R3中流過電流，同時在FET10(Q1和Q2)的柵極G-源極S間施加偏置電壓VGS。
把作為n溝道MOS型FET的FETQ1、FETQ2串聯(lián)起來構(gòu)成FET10，從PD(光電二極管)陣列耦合器9的n個光電二極管供給的偏置電壓VGS(＝n×VD)使其變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，F(xiàn)ETQ1和FETQ2導(dǎo)通時的低阻抗使輸出端子O1、O2間短路，使交流電流流過負載LD，驅(qū)動負載LD。
另一方面，一旦停止來自輸入電路2的控制信號(例如，直流電流)，則不供給來自PD(光電二極管)陣列耦合器9的n個光電二極管的偏置電壓VGS(＝n×VD)，F(xiàn)ET10成為截止?fàn)顟B(tài)，輸出端子O1、O2問開路而阻斷交流電流，停止負載LD的驅(qū)動。這樣，F(xiàn)ET10構(gòu)成對交流電源VAC的雙向開關(guān)元件。
另外，由于PD(光電二極管)陣列耦合器采用n個光電二極管，開關(guān)元件采用FET10，所以每半個周期切換極性變化的交流。此外，PD(光電二極管)陣列耦合器9可以將輸入電路2側(cè)的直流和晶閘管4側(cè)的交流隔離開。
浪涌吸收器5與FET10并聯(lián)連接并配置在輸出端子O1、O2側(cè)，在與輸電線產(chǎn)生感應(yīng)并重疊在交流電源VAC上的雷擊浪涌經(jīng)負載LD產(chǎn)生在輸出端子O1、O2上的情況下，由浪涌耐受量決定，而將其抑制到的比FET10的最大額定值低的浪涌電壓(浪涌吸收)，形成保護FET10不被雷擊浪涌破壞的結(jié)構(gòu)。
在以往的固態(tài)繼電器(SSR)50、60由晶閘管4和FET(場效應(yīng)晶體管)10等構(gòu)成的開關(guān)元件的最大額定值設(shè)定得高于浪涌吸收器5的浪涌耐受量(浪涌箝位電壓)，重疊在交流電源VAC上的雷擊浪涌(浪涌電壓)比較低的情況下，可以保護開關(guān)元件，但在重疊的雷擊浪涌(浪涌電壓)大的情況下，浪涌吸收器5吸收不了，施加在開關(guān)元件上的浪涌電壓超過開關(guān)元件的最大額定值，有可能導(dǎo)致開關(guān)元件的破壞。
雖然采用浪涌耐受量大的(浪涌箝位電壓低，吸收容量大)浪涌吸收器5，或采用最大額定值大的開關(guān)元件(晶閘管4、FET10)，可以消除伴隨著雷擊浪涌的開關(guān)元件的破壞，但會導(dǎo)致浪涌吸收器或開關(guān)元件的大型化或成本的上升。
另外，已確認在開關(guān)元件導(dǎo)通時雷擊浪涌的影響極小(不被破壞)，而在開關(guān)元件截止時雷擊浪涌的影響極大(直至破壞)。
為實現(xiàn)上述的目的，按照本發(fā)明的固態(tài)繼電器具有根據(jù)從輸入電路供給的控制信號來控制流過外部負載的電流的導(dǎo)通或截止(非導(dǎo)通)的開關(guān)元件，其特征在于設(shè)置有在開關(guān)元件截止時從負載側(cè)重疊了雷擊浪涌的情況下根據(jù)雷擊浪涌而強制地將開關(guān)元件導(dǎo)通的浪涌對策器件。
按照本發(fā)明的固態(tài)繼電器具有根據(jù)從輸入電路供給的控制信號來控制流過外部負載的電流的導(dǎo)通或截止(非導(dǎo)通)的開關(guān)元件，由于設(shè)置有在開關(guān)元件截止時從負載側(cè)重疊了雷擊浪涌的情況下根據(jù)雷擊浪涌而強制地將開關(guān)元件導(dǎo)通的浪涌對策器件，所以對于雷擊浪涌，可以強制使開關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)而降低開關(guān)元件的阻抗，以簡單的結(jié)構(gòu)形成浪涌對策器件，可以確實地保護開關(guān)元件不被雷擊浪涌破壞。
此外，按照本發(fā)明的浪涌對策器件的特征在于設(shè)置有浪涌吸收元件。
而且，本發(fā)明的浪涌對策器件的特征在于設(shè)置有恒壓元件。
由于按照本發(fā)明的浪涌對策器件設(shè)置有浪涌吸收元件或恒壓元件，所以伴隨雷擊浪涌的重疊，使浪涌吸收元件或恒壓元件動作而流過電流，從而能夠?qū)﹂_關(guān)元件施加偏置電壓，使截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)元件強制地變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，可以降低開關(guān)元件的阻抗。
圖2是按照本發(fā)明的固態(tài)繼電器(SSR)的另一實施例的構(gòu)成圖。
圖3(a)-圖3(c)是雷擊浪涌的浪涌電壓(VSG)的施加波形圖。
圖4是現(xiàn)有的固態(tài)繼電器的一例主要部分構(gòu)成圖。
圖5是現(xiàn)有的固態(tài)繼電器的另一例主要部分構(gòu)成圖。


圖1是按照本發(fā)明的固態(tài)繼電器(SSR)的一個實施例的構(gòu)成圖。在圖1中，固態(tài)繼電器(SSR)1設(shè)置有輸入電路2、光電耦合器3、電阻器R1、浪涌吸收器5、開關(guān)元件6、浪涌對策器件7、輸入端子I1、I2、輸出端子O1、O2；輸入端子I1、I2連接到外部的直流電源VDC(或交流電源Vac)，輸出端子O1、O2連接到外部負載LD和交流電源VAC。在圖1中，與圖4相同的部分(功能塊和元件)用同一標(biāo)號表示。此外，在固態(tài)繼電器(SSR)1的負載LD中流過電流，或中斷電流的基本動作已在圖4中說明，所以予以省略，對于重疊在交流電源VAC上的雷擊浪涌，說明與保護開關(guān)元件6有關(guān)的動作。
開關(guān)元件6由雙向開關(guān)的晶閘管4(例如，三端雙向可控硅開關(guān)元件)構(gòu)成，隨著雷擊浪涌(浪涌電壓VSG)產(chǎn)生的電流流過電阻器R2，一旦電阻器2的電壓降達到規(guī)定的柵極電壓，開關(guān)元件6就變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，晶閘管4兩端的阻抗(導(dǎo)通電阻)下降，低阻抗使連接晶閘管4的輸出端子O1、O2間短路。
另一方面，一旦雷擊浪涌(浪涌電壓VSG)停止，而在電阻器R2中不流過電流(浪涌電流的一部分)，則柵極電壓消失，晶閘管4變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。
浪涌對策器件7由浪涌吸收器8等浪涌吸收元件構(gòu)成，在開關(guān)元件6截止時，重疊在交流電壓VAC上的雷擊浪涌(浪涌電壓VSG)由插入在輸出端子O1、O2間的浪涌吸收器5決定，被抑制的浪涌電壓經(jīng)電阻器R1施加在A-B兩點間。
一旦施加在A-B兩點間的浪涌電壓超過浪涌吸收器8的浪涌吸收電壓，則浪涌對策器件7(浪涌吸收器8)就以輸出端子O1→電阻器R1→浪涌對策器件7(浪涌吸收器8)→電阻器R2→輸出端子O2(或輸出端子O2→電阻器R2→浪涌對策器件7(浪涌吸收器8)→電阻器R1→輸出端子O1)的路徑流過電流(浪涌電流的一部分)。
隨著開關(guān)元件6的短路(低阻抗)，輸出端子O1、O2間施加的交流電壓VAC上重疊的浪涌電壓VSG(VAC+VSG)使開關(guān)元件6上流過大電流(交流電流+浪涌電流)，因此，浪涌電壓VSG被開關(guān)元件6吸收而下降。
浪涌電壓VSG(正確地說，為交流電壓VAC+浪涌電壓VSG)使浪涌對策器件7動作并流過電流(浪涌電流的一部分)，晶閘管4的柵極電壓有限維持在規(guī)定值(導(dǎo)通所必要的電壓)，但浪涌電壓VSG的持續(xù)時間極短，所以即使在開關(guān)元件6的導(dǎo)通期間電流流過負載LD，開關(guān)元件6的導(dǎo)通狀態(tài)也不受到實質(zhì)性的影響。
于是，固態(tài)繼電器(SSR)1在開關(guān)元件6截止時，根據(jù)從輸出端子O1、O2重疊在交流電壓VAC上的浪涌電壓VSG，浪涌對策器件7強制使開關(guān)元件6成為導(dǎo)通狀態(tài)，所以通過開關(guān)元件6的低阻抗(導(dǎo)通電阻)使浪涌電流流過，可以吸收浪涌電壓VSG而形成低的浪涌電壓VSG，所以可以保護開關(guān)元件6不被浪涌電壓VSG破壞。
此外，由于浪涌對策器件7設(shè)置有浪涌吸收元件(浪涌吸收器8)，所以隨著雷擊浪涌的重疊，使浪涌吸收元件(浪涌吸收器8)動作而流過電流，從而可以對開關(guān)元件(晶閘管4)施加偏置電壓，使截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)元件(晶閘管4)強制地變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，可以降低開關(guān)元件的阻抗。
圖2是本發(fā)明的固態(tài)繼電器(SSR)的另一實施例的構(gòu)成圖。在圖2中，固態(tài)繼電器(SSR)11設(shè)置有輸入電路2、PD(光電二極管)陣列耦合器9、電阻器R3、浪涌吸收器5、開關(guān)元件12、浪涌對策器件13、輸入端子I1、I2、輸出端子O1、O2；輸入端子I1、I2連接到外部的直流電源VDC(或交流電源Vac)，輸出端子O1、O2連接到外部負載LD和交流電源VAC。在圖2中，與圖5相同的部分(功能塊和元件)用同一標(biāo)號表示。此外，在固態(tài)繼電器(SSR)11的負載LD中流過電流，或中斷電流的基本動作已在圖5中說明，所以予以省略，對于重疊在交流電源VAC上的雷擊浪涌，說明與保護開關(guān)元件12有關(guān)的動作。
開關(guān)元件12由串聯(lián)連接的n溝道晶體管MOS型FETQ1、Q2構(gòu)成，在開關(guān)元件12截止時(FETQ1、Q2截止)，輸出端子O1、O2上雷擊浪涌(浪涌電壓VSG)重疊在交流電源VAC(交流電源VAC+浪涌電壓VSG)上時，浪涌對策器件13中流過浪涌電壓VSG產(chǎn)生的電流(浪涌電流的一部分)在PD(光電二極管)陣列耦合器9的串聯(lián)連接的n個光電二極管上產(chǎn)生規(guī)定的電壓n×VD(VD是二極管的正向電壓，約0.6V)，電流流過電阻器R3，同時在FETQ1和FETQ2的柵極G-源極S間施加偏置電壓VGS，使FETQ1、Q2變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，F(xiàn)ETQ1、Q2的導(dǎo)通電阻的低阻抗使FETQ1、Q2連接的輸出端子O1、O2間短路。
另一方面，一旦雷擊浪涌(浪涌電壓VSG)停止，浪涌對策器件13中不流過電流(浪涌電流的一部分)，則FETQ1和FETQ2的柵極G-源極S間的偏置電壓VGS消失，開關(guān)元件12變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。
浪涌對策器件13將齊納二極管ZD1等恒壓元件和電阻器R4串聯(lián)連接并連接在點P1和PD(光電二極管)陣列耦合器9的串聯(lián)連接的n個光電二極管的高位陽極間，同時將齊納二極管ZD2等恒壓元件和電阻器R5串聯(lián)連接并連接在點P2和PD(光電二極管)陣列耦合器9的串聯(lián)連接的n個光電二極管的高位陽極間。
齊納二極管ZD1和電阻器R4的組合對重疊在輸出端子O1側(cè)的浪涌電壓VSG產(chǎn)生動作，齊納二極管ZD2和電阻器R5的組合對重疊在輸出端子O2側(cè)的浪涌電壓VSG產(chǎn)生動作。
在浪涌電壓VSG超過齊納二極管ZD1或齊納二極管ZD2的齊納電壓VZ時，分別通過電阻器R4或電阻器R5將電流(浪涌電流的一部分)供給PD(光電二極管)陣列耦合器9的串聯(lián)連接的n個光電二極管的高位陽極。
一旦對n個光電二極管的高位陽極供給電流(浪涌電流的一部分)，則在n個光電二極管上產(chǎn)生規(guī)定電壓n×VD(VD是二極管的正向電壓，約0.6V)的偏置電壓VGS，偏置電壓VGS被施加在開關(guān)元件12的FETQ1和FETQ2的柵極G-源極S間，使FETQ1和FETQ2變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，F(xiàn)ETQ1和FETQ2的低阻抗(導(dǎo)通阻抗)使輸出端子O1、O2間短路。
隨著開關(guān)元件12的短路(低阻抗)，重疊在輸出端子O1、O2間施加的交流電壓VAC上的浪涌電壓VSG(VAC+VSG)使FETQ1和FETQ2中流過大電流(交流電流+浪涌電流)，所以浪涌電壓VSG被開關(guān)元件12吸收而降低。
雖然浪涌電壓(正確地說，是交流電壓VAC+浪涌電壓VSG)使浪涌對策器件13動作并流過電流(浪涌電流的一部分)，F(xiàn)ETQ1和FETQ2的偏置電壓VGS有限地維持在規(guī)定值(導(dǎo)通所需的電壓)，但浪涌電壓VSG的持續(xù)時間極短，所以即使在開關(guān)元件12的導(dǎo)通期間電流流過負載LD，開關(guān)元件12的導(dǎo)通狀態(tài)也不受實質(zhì)性的影響。
于是，固態(tài)繼電器(SSR)11在開關(guān)元件12截止時，根據(jù)從輸出端子O1、O2重疊在交流電壓VAC上的浪涌電壓VSG，浪涌對策器件13使開關(guān)元件12強制地為導(dǎo)通狀態(tài)，所以開關(guān)元件12的低阻抗(導(dǎo)通電阻)使浪涌電流流過，可以吸收浪涌電壓VSG而形成低的浪涌電壓VSG，所以可以保護開關(guān)元件12不被浪涌電壓VSG破壞。
此外，由于浪涌對策器件13設(shè)置有恒壓元件ZD1、ZD2，所以隨著雷擊浪涌的重疊，使恒壓元件ZD1、ZD2動作而流過電流，可以對開關(guān)元件12(FETQ1、FETQ2)施加偏置電壓，使截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)元件12強制地變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，可以降低開關(guān)元件12的阻抗。
圖3是雷擊浪涌的浪涌電壓(VSG)的施加波形圖。圖3(a)表示沒有浪涌吸收器5和浪涌對策器件7(參照圖1)、浪涌對策器件13(參照圖2)的情況下，用雷擊浪涌試驗機施加10kV的浪涌電壓VSG時的波形圖。
圖3(b)表示如圖1和圖2那樣插入浪涌吸收器5的情況下，圖3(a)的浪涌電壓VSG(10kV)被浪涌吸收器5吸收，降低到浪涌電壓VSG1的浪涌吸收效果。
圖3(c)表示除了圖3(b)的浪涌吸收器5以外，還插入圖1那樣的浪涌對策器件7，或插入圖2那樣的浪涌對策器件13時，圖3(a)的浪涌電壓VSG(10kV)被浪涌吸收器5和浪涌對策器件7(或浪涌對策器件13)吸收，降低到浪涌電壓VSG2的浪涌吸收效果。
在圖1和圖2所示的固態(tài)繼電器(SSR)1、11上，已確認即使施加20kV的浪涌電壓VSG，也可以進行保護。
如以上說明，按照本發(fā)明的固態(tài)繼電器設(shè)置有根據(jù)從輸入電路供給的控制信號來控制流過外部負載的電流的導(dǎo)通或截止(非導(dǎo)通)的開關(guān)元件，由于設(shè)置有在開關(guān)元件截止時從負載側(cè)重疊雷擊浪涌的情況下根據(jù)雷擊浪涌強制性地導(dǎo)通開關(guān)元件的浪涌對策器件，所以對于雷擊浪涌，可以使開關(guān)元件強制性處于導(dǎo)通狀態(tài)而降低開關(guān)元件的阻抗，以簡單的結(jié)構(gòu)形成浪涌對策器件，可以確實保護開關(guān)元件不被雷擊浪涌破壞。
此外，按照本發(fā)明的浪涌對策器件，由于設(shè)置有浪涌吸收元件或恒壓元件，所以隨著雷擊浪涌的重疊，使浪涌吸收元件或恒壓元件動作并流過電流，從而可以對開關(guān)元件施加偏壓，使截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)元件強制性地成為的導(dǎo)通狀態(tài)，可以降低開關(guān)元件的阻抗。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)繼電器，設(shè)置有根據(jù)從輸入電路供給的控制信號來控制流過外部負載的電流的導(dǎo)通或截止(非導(dǎo)通)的開關(guān)元件，其特征在于設(shè)置有在所述開關(guān)元件截止時從所述負載側(cè)重疊了浪涌的情況下根據(jù)浪涌將所述開關(guān)元件強制地導(dǎo)通的浪涌對策器件。
2.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)繼電器，其特征在于所述浪涌對策器件設(shè)置有浪涌吸收元件。
3.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)繼電器，其特征在于所述浪涌對策器件設(shè)置有穩(wěn)壓元件。
全文摘要
用簡單的結(jié)構(gòu)提供確實地保護開關(guān)元件不因雷擊浪涌而破壞的固態(tài)繼電器(SSR)。在開關(guān)元件(6)截止時，根據(jù)從輸出端子(O1、O2)重疊在交流電壓VAC上的浪涌電壓VSG，浪涌對策器件(7)使開關(guān)元件(6)強制性地成為導(dǎo)通狀態(tài)，所以開關(guān)元件(6)的低阻抗(導(dǎo)通電阻)使浪涌電流流過，由此能夠吸收浪涌電壓VSG并成為低的浪涌電壓VSG，從而保護開關(guān)元件(6)不被浪涌電壓VSG破壞。
文檔編號G05F1/45GK1445929SQ03107090
公開日2003年10月1日 申請日期2003年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月15日
發(fā)明者北原康行, 林靖雄 申請人:歐姆龍株式會社