| 单词 | 光伏继电器 |
| 释义 | 【光伏继电器】 拼译：photo voltaic relay(PVR) 是一种新型的固体继电器，它是光伏隔离和MOSFET功率集成技术结合的产物。这种固体继电器采用发光二极管LED和光伏二极管PVD，从电气上把输入和输出分开，并利用光伏二极管受光后产生的光伏电压去激励作为开关器件的双向MOSFET。这种双向MOSFET既能开关直流信号又能开关交流信号，适于用作中小电流的从低压到高压的开关以及开关模拟信号。因此，这种光伏继电器的特性更接近于电磁继电器，而且具有电磁继电器以及一般固体继电器无可比拟的优点。 1979年，美国布朗(D．Brown)等发明了用光伏二极管阵列PVDA的输出电压驱动绝缘栅场效应管而制成的光伏继电器，它包括一个LED一个光伏二极管阵列PVDA、一个绝缘栅场效应管、一个泄放电阻。根据绝缘栅场效应管的源漏极是否采用对称结构，又可分为直流和交流的光伏继电器。该继电器的关键是PVDA的制作。它采用介质隔离技术，串联集成了20个光伏二极管。这种PVDA受LED照射后约产生8V左右的光生电压和几个微安的光生电流，从而实现对输出场效应管的激励。由于输出场效应管的栅与衬底间存在有大约几十到几百PF的电容，当继电器的输入信号撤消后，需给此电容提供一个放电通道，才能使场效应管较快关断，故设置了一个泄放电阻。该光伏继电器的全部器件均采用分立器件芯片，粘接在用陶瓷基片制用的厚膜电路上。当继电器的输入端即发光管LED的两端没加控制信号时，输出管呈关断状态，其断态阻抗约为109Ω。当输入端加有20mA的控制电流时，输出管导通，可需的导通时间约1ms，通态阻抗约为2Ω。输入控制电流撤掉以后，输出管又恢复到关断状态，所需的关断时间也为1ms。这种光伏继电器的最大优点是甩掉了一般采用光导型光电耦合器的固体继电器所必须的附加电源，从而减小了关态暗电流；由于输出结点采用绝缘栅场效应管，基本上不存在失调电压。但它也存在着开关速度特别是关断速度较慢的缺点。为此，美国罗特里格(E．T．Rodriguez)和菲普斯(J．P．Phipps)分别于1980年和1981年提出用一个有源可变放电电阻来代替固定放电电阻，从而使关断速度由毫秒提高到秒数量级。他们用的有源可变电阻包括第2个PVDA和一个N沟或P沟耗尽型结型场效应管。当光伏继电器输入端加有控制信号时，结型场效应管受PVDA的作用呈高阻，不影响输出场效应管导通；当输入端撤消控制信号后，结型场效应管呈低阻，成为输出场效应管栅源电容的放电通道。这种改进大大提高了关断速度，但却要增加第2个PVDA。1983年，美国舍门(J．D．Sherman)等又提出了用第2个LED控制1个光电三极管的通断来组成较为简单的放电电路。以上几种放电电路都大大提高了开关速度，但控制起来不太方便。另外，由于继电器所用的所有半导体器件均采用分立器件或分立芯片，这虽然给电路的灵活性，个别的电性能指标，各种不同类型器件之间的隔离等方面带来了方便，但却影响了固体继电器的小型化、一致性、高可靠、批量生产和性能价格比。因此，近年来很多人都致力于集成光伏继电器的研究。光伏继电器所用的器件除了发光管LED以外，都是硅器件。因此，这些硅器件可以根据需要或可能，制成部分集成的IC和全部集成的单片IC。1985年，美国国际整流器(IR)公司的柯林斯(H．W．Collins)等在第33届继电器会议上发表了部分集成的光伏继电器。它包括LED、光伏发生器和一个BOSFET。这个BOSFET便是一个新颖的功率集成电路。它的芯片上包含一个双向MOSFET结构，快速关断电路和附加的栅保护装置。它采用类似N阱CMOS的一种独特的高压工艺制作，把几个高压横向DMOS晶体管与各种低压控制组件集成在一起。BOSFET的输出晶体管应用自对准多晶硅栅技术获得了短沟道、容易控制阈值和高可靠的栅氧化物界面等优点。该工艺使用一层多晶硅能实现多种功能，除了控制输出器件外，这一选择掺杂的多晶硅层还被用于低阻互连，大阻的隔离电阻，大值电容，P沟和N沟栅。该BOSFET是当代功率MOSFET技术的延伸，使得小型化而经济的光伏继电器得以实现大批量生产。驱动BOSFET的光伏发生器也是把许多光伏二极管串联起来形成的，用高二极管的标准制造工艺制作。PN结被扩散形成在单独的硅片上，然后把好多硅片叠起来后合在一起，而后再按需要的尺寸切割成单独的光伏发生器。当然，晶片的扩散条件要按最佳的光伏发生器设计，使整个受光硅面都是有效的，因此，光电转换效率高。1986年，美国霍奇(C．R．Hodges)等研制成功了高压单片AC／DC两用的江伏继电器。除了发光管LED以外，其他电路全部集成在一个芯片上。该芯片采用介质隔离工艺，制成许多相互隔离的小岛，在各个隔离岛上制作的元器件有：两个共源反向串联的DMOSFET，大约占去了整个芯片面积的3／5，它作为AC和DC信号的开关，呈现出很低的失调电压；由十几个光伏二极管组成的光伏二极管阵列，当受光照射时，便产生使DMOSFET导通所需的栅源电压；两个双极光电三极管，一个晶闸管和一个多层电阻组成快速放电电路。到1988年，日本电气公司(NEC)已推出了类似上述构造的单片光伏继电器的系列产品。它们分AC／DC和DC用两种类型，其开关部分耐压从60V到600V不等，连续导通电流分50mA到450mA各个不同档次，导通时间在100～800μs范围，关断时间为100μs。与此同时，美国台里德(Teledyne)公司也推出了各种类型的光伏继电器产品，并多为薄、厚膜混合集成电路，以追求电性能的适应性、履盖性以及功能的多样性。例如，它的产品许多都增加了输出短路和过载保护功能，有的还增加了状态指示电路。该公司的光伏继电器产品也分为AC／DC和DC两种类型。额定阻断电压从几十伏到几百伏不等，额定连续导通电流从几百毫安到几安培多种档次，导通时间在几百μs数量级，关断时间在几十μs数量级。光伏继电器除了具有一般固体继电器体积小、重量轻、抗干扰、耐腐蚀、抗冲击、寿命长、开关速度快、对外界干扰小、可靠性高、能与逻辑电路兼容等优点外，还拥有自己的独特之处。如不需要附加电源来获取输出管导通的触发信号，从而消除了附加电源导致的输出暗电流等问题。另外，采用DMOSFET这种理想的开关器件作输出，可使这种固体继电器的输出具有线性导通电阻，失调电压很小，具有负的电流温度系数，热稳定性好，管壳封装内功耗小，而且两个共源反向串联的DMOSFET可开关直流和交流信号以及很小的模拟信号。广泛应用于过程控制，数据采集，多路自动测试设备和电信设备中，成功地替代了电磁继电器和一般的固体继电器。今后，这种光伏继电器将从单片集成和混合集成两个方面向着多触点、多功能、多品种、高性能、小型化和低价格方向进一步发展，在更多的领域中得到广泛的应用。【参考文献】：1 William collins H，et al．Proceedings of the 33rd Relay Conference National Association of Relay Manufactures，1985，1802 高桥政次，等．NEC技报，1988，41(5)3 王晓民．半导体技术，1991，4∶14(机电部十三所王晓民撰) |
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