机械式继电器的缺陷是灵敏度差、存在动作噪声以及开关次数多影响寿命等问题,本文介绍的PhotoMOS继电器通过采用双扩散和选择惨杂方法解决了上述问题,并提供高电压控制、低导通电阻、b触点电路、AC/DC兼容通电和低泄漏电流等优良特性。
PhotoMOS继电器的输出是使用功率MOSFET在输入输出间实现电绝缘(1,500VAC·1分
钟)的半导体继电器。其等价电路如图1所示。
动作原理是通过光电元件(太阳能电池)将发光元件(LED)的光进行电压变换,通过功率MOSFET的导通、非导通,进行负载控制。图2表示动作时、还原时的原理。
PhotoMOS继电器具备EMR (有触点机械继电器)和SSR(无触点继电器)两种功能,特点如下:
a. 可控制微小模拟信号(参照图3、4)；
晶闸管或光电耦合器及一般的SSR,不能控制数百mV以下的信号,但PhotoMOS继电器闭路时的偏置电压极低,因此,即使是对微小电压信号或模拟信号也可不改变控制。
b.
电路结构简单,因而可做到电路板小型化和设计容易化,可将发光元件、光电元件、功率MOSFET集中到一个封装中,而且MOSFET的电路门电极也在封装中,因此抗干扰或静电能力较强。另外,内置有自身供电功能的光电元件,所以,不需要外部电源来驱动功率MOSFET。
c. 用小输入信号可控制大负载(表1)
与光电耦合器相比,因增幅率较大,所以可实现EMR所没有的高灵敏度。
d. 开路时的漏电流极小(图5)
一般的SSR开路时的漏电流大到数mA,但PhotoMOS继电器即使施加负载电压400V时,也小得只有1μA以下。
e. 可以适应各种负载控制
电流、电压通断范围较广,因此,适合继电器、电机、灯、螺线管等各种负载的控制。
(1) 可控制含高频成分的信号
RF型输出端子间容量小至0.5pF,绝缘损失为40dB以上(1MHz)。
(2) 小型、节省空间,安装不受限制。
(3) 热起电力小至1μA以下。
(4) 寿命近似永久性,无需更换。
(5) 不发生电弧(干扰),无触点,因而也无动作声音。
PhotoMOS继电器之所以具备上述特点是因为在功率MOSFET形成过程中使用了双重扩散和选择掺杂法(DSD)研制出高耐压、低导通电阻的耗尽型功率MOSFET。
DSD法在原来的加强型功率MOSFET制造时所使用的双重扩散法上,选择性地组合了扩散杂质部分的方法,一边补充系统杂质浓度,一边形成与电路板浓度相同的低浓度浮浅层。因而使MOSFET栅极电压为0时,处于低导通电阻(典型值为0.18Ω),保持良好的导通状态；通过施加微小的栅极附加电压,可表现出高耐压(400V以上)的高绝缘性(低漏泄电流:1μA以下)。b触点型PhotoMOS继电器,就是由于嵌入了耗尽型功率MOSFET才得以实现。
PhotoMOS继电器的应用主要是针对小型、轻量、薄型化的需要,作为适应电子化的继电器,增加的特性包括:1. 高灵敏性、高速响应；2. 从传感器输入信号电平到高频的控制；3. 从声音信号到高频用途的对应；4. 高可靠性和长寿命；5. 可表面安装的SMD型；6. 多功能化和静音化等新的功能。
为适应产品使用的多样化需要,PhotoMOS继电器的品种包括低导通电阻的HF型、GU型、高速动作、低漏电流的RF型、高灵敏度的HS型及低导通电阻和经济性两者兼备的HE型、追求经济性的GE型、瘦长型功率控制的功率型、扁平形功率控制的PD型品种。《电子工程专辑》2003年5月1-15期将介绍PhotoMOS继电器的应用电路设计及使用注意事项。
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