采用两只MOSFET进行串联替代普通继电器实现应用

Juan Ram ón Vadillo 发表于 2020-07-23 10:42:18 收藏 已收藏
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采用两只MOSFET进行串联替代普通继电器实现应用

Juan Ram ón Vadillo 发表于 2020-07-23 10:42:18
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普通的机电式继电器具有低成本和低导通电阻的优点,经常用于大负载电流的通断切换,以及不需要按比例控制负载电流或电压的情况。低成本和低导通电阻是它们在工业中获得广泛应用的主要原因。另外,一只继电器可以用于低电压电子控制下交流大电压的切换,因为控制电路和负载电路之间具有高度的隔离能力。

然而,尽管继电器技术已很成熟,性能也很可靠,但继电器毕竟是机械装置,容易磨损和出现其它故障。继电器触点的电气耐久性限制了开关次数。当一个继电器触点打开时,感性负载中的电流中断会产生火花,使触点的性能恶化。当切换大电流时,继电器可能会缩短使用寿命,一般它们的开关次数也只有10万次。

串联的一对MOSFET可以替代普通继电器,作为交流电路中的一个触点(图1)。一对IRF530器件可以在高达±100V的峰值电压下的电路中作负载切换。IC1是一个不稳定振荡器,它是建立在著名的555定时器上的,提供一个方波电压源驱动MOSFET对的栅极。电阻器R1和R2为定时电容器C1提供充、放电路径。555的输出级可以提供和吸收几十毫安电流,并足以提供驱动10级同时开关栅极的电流(每个最大消耗电流为5 mA);555 的输出在最大0.75V的接通状态电压下最大可吸收50 mA电流。555的输出驱动一个分布式总线,为一组脉冲变压器T1和T2提供能量。电容器C3与变压器初级串联,消除了会出现在绕组上的直流偏移电压。

采用两只MOSFET进行串联替代普通继电器实现应用

变压器的选择并不重要,所有能够为MOSFET提供栅极电压并保持安全的电压隔离水平的铁氧体磁芯脉冲变压器都可以用在电路中。例如,可以用C&D技术公司的76601/3,它在初级电感为219mH下提供1:1的匝数比,并有500V的直流匝间隔离。

一个控制信号加在通用NPN开关晶体管Q3的基极,使集电极电流流经其相应变压器的初级。二极管D2提供一个通过绕组的反向电流路径。在次级端,二极管D1对次级电压作整流,并对电容器C4充电,电容器将整流电压进行滤波,提高噪声抑制能力,降低MOSFET栅极上的电压波动。去掉控制信号就可以关断Q1和Q2。电阻器R3为C4提供一个放电通道,使MOSFET在大约3 ms 内关断。为了实现快速关断,可以降低C4或R3的值,但相应地会增加整流后栅极电压的波动。

用两只串联的MOSFET可以实现通过管对的双向交流导通。当MOSFET关断时,它们的寄生二极管反向串联,因而不导通。可以从多种MOSFET中选择能符合应用需求的MOSFET,但要确保加到Q1和Q2上的栅极电压足以使两个器件切换进完全导通状态。IRF530的栅极阈值电压为3V,但加上10V的栅/源电压可以确保有低的导通电阻。可以通过改变变压器的匝数比或IC1电源电压(在额定4.5 V ~ 16 V之间)的方法调整栅/源电压。

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