电流互感式控制开关多路控制组输出的开关隔离问题

 ——   电子开关组中的隔离问题，如果电子开关组也要和继电器开关组那样应用

      在科技飞速发展的今天，工业控制一般是用多个继电器、接触器配合PLC、MCU等可现场编程来实现。在控制系统的执行机构中，继电器、接触器算得上工业控制执行器件中的黄金配角。

      传统继电器或接触器，开关触点均是机械触点，它不仅安装应用方便接线简单，它既可以控制交流又可以控制直流，在接线时不用考滤受控制的是交流还是直流，更是0V至250V通用，在工业控制设计中更是工程师们的喜爱，是首当其冲的首选。这种配套设备不论是单独一个使用，还是多个组合在一起应用，根本就不用考滤隔离的问题。因为它们本身就具备有很好的隔离，不管是前后级的触点和线圈之间，还是继电器组各组别输出的触点和触点之间。

          但是，这么好用的器件，它也有不可忽略的缺点。

          首先，是机械触点在开合过程中会产生开合火花，烧损机械触点，而且还有开合次数限制，当然还会产生那个有人觉得令人烦，也有人觉得相当舒服的啪啪声（机械噪声）。另外，机械触点的电阻值一般是20 mΩ（毫欧）。随着使命时间的增长，触点的电阻值也会逐渐增大，寿命开始缩减。

      其次是控制线圈，如果是低压控制，比如5V、12V或者24V直流控制时，又存在着线圈消耗电流过大，一般达90mA或以上，工作线圈的供电电压若是12V，也会产生红1.08W的功率损耗，如上图中的16个继电器，若是12V直流控制的，总的消耗功率将达到12*0.09*16＝17.2W，每58小时将消耗一度电；如果是交流控制，继电器的线圈也要消耗约6mA的电流，如果控制电压是220V（240V）的，消耗功率则达到了1.32瓦，16个继电器连续上电工作48小时，这线圈将要消耗1度电（千瓦时）。

        在能源紧俏的今天，如果可以把这些损耗大幅减低，不仅可以节能，还可以减少碳排放，早日达到碳达峰与碳中和，符合现在发展的需要，是一举两得的。

       那么，有没有方案或以降低能源的消耗的呢，答案是有的，那就是无触点的电子开关。

       用作电子开关管的， 一般是用MOSFET管或双向晶闸管组成开关组，如果是用双向晶闸管，这个隔离问题也很好处理，用光耦来隔离驱动，是不错的选择，但是，不论是单向晶闸管还是双向晶闸管（俗称可控硅），均是利用交流电的过零来关断的，能用外部的控制信号开启却不能将其关断，用在直流电路中会直接失效（不能关断）。所以不能控制直流电。

       MOSFET管，一般称为MOS管。其是电压控制的，只要有电压电场即可，所以也被工程师们大量用作开关管使用，尤其是在开关电源中。MOS管是控制直流的，不能直接用在交流电路中，否则直接烧毁管子。

      那么在电流感应开关、互感控制开关中呢，它也是作为电子开关的首选器件。既要能控制直流，也要能控制交流。例如在我司的A36K、GTL30和A200K、GA150K、D200K等系列产品，输出的开关量也是采用了MOS管组成。

      随着科技的飞速发展，电子开关技术也取得了长足的进步，电子管的内阻也越来越小，很多功率型晶体管的内阻已经达到了毫欧级（mΩ）。比如德国的Infineon(英飞凌)产的IRFS7430TRL7PP、IPT007N06N；国内的HUAYI(华羿微)产的 HYG006N04LS1TA、HYG007N03LS1C2等。MOS管也因此被大量应用到各种行业各种产品之中，大到航天器，火箭，轮船，小到家用打浆机，炸汁机等。

      如果是单路电流控制应用，不存在开关组间隔离问题。如果是接成PNP或NPN，控制低电压直流，也容易解决。即使是都若要像机械继电器那个接为常开+常闭同步切换，或常开+常开切换的，若是受控制的电流不大，（0.5A以内），要加装光耦隔离也可以解决，就是采用自导通技术，本司产品A200K-OC、GA150K20、GA150K30和GA150K50均采用了自导通技术。但是，此种技术在控制大电流（比如1.0A或以上）时，本身消耗的功率会大增，发热变得严重。即使是控制电流低至0.3A，其本身的压降也超过2V或以上。（说明：本司的产品的开关量是既可以控制直流也可以控制交流的，除非另有说明的除外）。

          作为电子开关组，每一路的MOS管的公共端G，均是独立的；G1、G2、G3不能存在物理电气连接，每一路必须是各自独立。从上图可以看到，无论K1、K或是K3、K4又或是K5、K6不管接的是交流还是直流，相互之间并不产生干涉。

          但是，这就产生了一个新的问题，那就是每一路电子开关组的驱动电源DRV；因为每一路的开关组是由MOS管组成，所以DRV必须是直流电势能，而不能用交流。

         为此，我们提出了两个方案，一个是自导通技术的应用，二是额外增加一个辅助电源。

       应用自导通技术和增加辅助电源方案，电路都算是简单，容易实现，成本也比较低；用自导通技术，顾名思义就是利用了开关端子两端的电压经整流后得到的电压来驱动MOS管的闭合或断开，这和晶闸管一个原理，结果是开关两端会有一个1.3V到2.0V的压降（理论值），控制的电流越大这个压降越高。用辅助电源就是另外供给一个电源驱动，这个压降的幅度则会更低一些，比如所应用的MOS管的内阻是0.05Ω（欧姆），对接后则是0.1Ω（欧姆），控制的电流是10A，那么它的压降则是1.0V（理论值）。

         但是不管是哪种方案，都需要用光耦作为隔离控制源。要知道电子开关组成组以后，若不要光耦隔离驱动，要么是PNP方式，要么是NPN方式；若要组合成NPN+PNP的通用方式，隔离是少不了的也是避不开的。

 ————————  现在，不管是哪种方案，都存在缺陷，同志还需努力  ————————

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