一种大功率直流固态电子开关
薛红兵
(信息产业部电子第二十研究所，陕西西安710068）
在自动测量设备、仪器仪表、直流配电设备中经常需要对直流大功率信号进行控制，过去通常采用电磁继电器。随着电子技术的进步，已开始将半导体器件作为固态电子开关来应用，本文介绍了一种实现方法。
1主要技术指标
1）电子直流开关最高输入电压65V；
2）最大输出电流≤25A；
3）输入输出压降≤0.5V；
4）控制信号高电平(≥2V)时,电子开关导
通，无信号时，关断；
5）工作温度－40℃～＋55℃。
此电子开关的基本原理框图如图1所示。
本电子开关采用N沟道功率MOS管作为开关器件，当对控制端子施加高电平（≥2V）时，由SE555MJG（简称555）定时集成电路构成的悬浮升压电路工作，产生悬浮于MOS管S极电平的正驱动电压Ugs大约为15V左右，MOS管导通；当控制端子电压为0电平时，则555构成的控制电路停止工作，MOS管关闭。
图1基本原理框图
2控制电路的构成
控制电路主要由作为方波脉冲发生器的555定时器电路构成，以下对555定时器电路进行简介。
1）555电路结构框图及引脚功能
图2给出了555定时器内部电路结构框图及引脚功能,其内部包括两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。
2）555定时器电路构成的方波脉冲发生器
在555定时器外只须加两个电阻，一个电容就可构成方波脉冲发生器。实际电路如图3所示。现将原理简述如下：当脉冲发生器刚接通电源时，由于电容CT上尚无电荷累积，脚2、脚6处于0电平，导致内部比较器A1的输出，即RS触发器R端的输入为1；比较器A2的输出，即RS触发器S端的输入为0，从而使
图4电子开关原理图
图2555电路结构框图及引脚功能
图3方波脉冲发生器
RS触发器的Q端置1，输出脚3为高电平。此后，电源VCC经电阻RA、RB向电容CT充电，直到电容CT上的电压uC升高到uC≥VCC时，555定时器的脚2及脚6处于高电平，RS触发器的R端变为0，S端为1，从而使RS触发器Q端置0，脚3由高电平变为低电平。放电晶体管VT导通，电容CT经RB和放电管放电，电容电压uC下降，当uC<VCC时，输出脚3由低到高，电容CT再次充电。此过程周而复始，形成振荡。通过计算可知，其振荡频率
f=1.433/(RA＋2RB)CT
导通时间为
ton=0.693CT(RA＋RB)
3控制电路的功能分析
电子开关原理图如图4所示。其中控制电路的供电电源是由R1、D1、R3、C1和V1组成的线性稳压降压电路组成。R1、D1、C1为V1提供基准电压，R3用于降低V1管上的功耗，起分压和限流作用，V1管E极输出＋15V左右电压。555定时器电路接成方波脉冲发生器电路，当控制信号为高电平时，该高电平信号经R9、R10分压后加在V2管的基极上，V2导通，使定时器555电路脚1接地，脉冲发生器开始工作，使脚3输出幅度为15V的方波脉冲信号，该脉冲发生器频率按图4中参数计算为38kHz左右。 C6、C5、C4、V5、V6构成“电荷泵电路”。C6起到“电荷泵”及隔直流作用。脚3输出为正脉冲时，通过C6隔直后经V5给C5、C4串联充电，脚3为零电平时，C4通过V6给C6充电，下一个正脉冲到来时脚3电压与C6上电压串联给C5、C4充电，这样重复操作，C5、C4逐渐充电，达到稳定时uc5=uc4=Vcc。最终在C5上得到15V左右悬浮于MOS管G、S极之间的直流电压，经过R6驱动功率MOS管导通，最终实现小信号对大功率直流信号的控制。V4为齐纳二极管，用于MOS管D、S极之间过压保护。功率MOS管用IXYS公司IXFM75N10，参数为100V，75A，0.02Ω。TO204AA封装。
4结语
该功率电子开关已成功用于某军用设备直流配电系统中，并已进行了小批量生产，实践证明其质量稳定、性能可靠。本电路可进行适当改进，以适应不同电压、电流场合，可广泛用于仪器、自动测量等设备当中作为直流电子开关或作为直流固态继电器（DCSSR），具有一定的推广价值。
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