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1、 第 1 页JGY24-150 型大电流直流固体继电器的设计孔令鑫 1，吴子 乔 1 赵辉 2（1 玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005） （2 中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010）摘要：文章给出了 JGY24-150 系列大电流直流固体继电器的主要技术指标，介绍了该类产品的设计方法，重点介绍了输入电路、延时电路、隔离电路、驱动电路和输出电路的设计，并给出了一些重要参数的计算方法。关键词：大电流固体继电器；延时；MOSFET1 引言固体继电器因开关速度快，无触点、无机械运动、不含运动零部件、可靠性高，寿命长，无干扰，耐冲击，耐振动，耐潮湿等特点，已在航天、航空
2、、舰船、武器装备、工业控制、医疗设备及汽车电子等方面得到广泛应用，需求量不断增大。随着科技的进步，汽车工业的发展，工程设计人员对固体继电器性能提出了更高的要求，某些汽车方面的应用要求输出直流大电流，因此直流大电流固体继电器应运而生。适应汽车市场和用户的需求，玉柴机器股份有限公司和中国电子科技集团公司第四十研究所联合开发了一款型号为JGY24-150 的汽车用大电流直流固体继电器，该款大电流直流固体继电器主要技术指标如下：额定输入电压：24Vdc输入电压范围：1832Vdc输入电流：50mA额定输出电压：24Vdc输出电压范围：132Vdc接通电压：18Vdc关断电压：1Vdc额定输出电流：15
3、0Adc接通时间：10ms关断时间：10ms输出电压降：0.5Vdc 第 2 页门 电 路输出漏电流：10uA工作温度：-40100介质耐电压：660Vac绝缘电阻：100M封装形式：封闭式2 总体电路设计JGY24-150 型大电流直流固体继电器（以下简称固体继电器）主要由输入控制电路、延时电路、隔离电路、驱动电路和输出电路五大部分组成，原理框图见图 1。其主要工作原理为：当输入控制电压加到输入端时，经过延时电路，再通过振荡电路和变压器隔离电路将信号传输到驱动电路，由驱动电路控制输出电路的功率管导通，使固体继电器接通；当输入信号去除时，驱动电路关断输出电路的功率管，使固体继电器关断。图 1
4、大电流直流固体继电器原理框图2.1 输入电路设计输入电路输入电压范围宽（1832Vdc） ，输入电流小（50mA） 。由于后面的延时电路、隔离电路需要有恒定的工作电流，因此本电路采用恒流源设计。以恒流二极管为核心元件组成的恒流电路，正常工作时的电流约为 10mA.当输入电压为 32Vdc 时，三极管 C、E极间承受的电压约为 28.7Vdc，功耗为 0.28W,所以应该选择 0.5W 耐压 50Vdc 以上的三极管。2.2 延时电路设计固体继电器用在具有电磁干扰的系统中时，干扰电压会影响固体继电器的输入端。当固体继电器输入端电压在临界导通状态时，会影响到固体继电器的正常工作。为了消除电磁干扰对
5、固体继电器的影响，增加了延时电路，延时电路的原理如图 2。 入入入入入入入入入入 第 3 页延时电路的具体工作原理是：当输入端添加一个 图 2 延时电路原理上升沿电压信号时，电流经过 R1、R 2给电容 C 充电。当电容 C 充电到一定的门限值 V 限 时，Vout输出高电平。充电时间（即延时时间）由下式计算：T=R1C充电时间没有达到 T 时，输出端电压低于 V 限 ，固体继电器不工作。充电时间达到或者超过 T 时，V out输出高电平,输入信号向后传输。当固体继电器输入端有脉宽小于 T 的干扰电压出现时，不会影响固体继电器的工作状态。具体延时时间参数根据固体继电器的工作环境确定。2.3 隔
6、离电路设计 固体继电器输入端的控制电流很低，而输出电流很大，所以它们之间必须进行电隔离。本电路中输入电路与驱动电路间采用振荡电路的变压器耦合隔离。变压器耦合隔离主要由高频振荡电路和变压器耦合电路组成。高频振荡电路采用双端推挽自激振荡输出，它比单端输出更能提高输入能量的转换效率。提高振荡频率，使其达到 50kHz200kHz ，实现快速响应。隔离变压器磁芯是本电路的关键部件，直接关系到电路的特性和转换效率。根据材料特性与本电路的特点，并通过反复试验，采用 Mn-Zn 高磁导率铁氧体材料作为隔离变压器磁芯。在选择铁氧体材料时要考虑如下几个方面：（1） 磁导率和饱和磁通密度要高，可减少线圈匝数，减小
7、内阻，减小磁环体积；（2） 矫顽力要小，减小磁滞损失；（3） 电阻率要高，减小涡流损耗；（4） 合理选择居里温度，提高磁环的综合性能。隔离电路设计的另一个关键是振荡电路的设计，在本电路中振荡电路如图 3 所示。在隔离的输入与输出确定后，通过下列方式对振荡电路进行优化设计。（1） 调整 RC 值，改变振荡频率，测试输出参数，并计算耦合效率 ，直至 最大；（2） 调整变压器线圈匝数，测试输出参数，并计算耦合效率直至最大。按前面所述选择隔离变压器的原则并结合具体固体继电器的要求，通过电路试验，确定磁环的参数与尺寸，达到理想状态。 第 4 页+INOUT-C1C2RRV1V2图 3 振荡电路图2.4
8、驱动电路设计驱动电路直接给输出电路供电，输出的功率管必须由稳压电源驱动，因此选择高精度限流电阻提供功率管工作所需要的工作电流。具体工作原理如图 4。图 4 驱动电路原理工作电流经过 R1、V 形成回路，V 是稳压管，保证输出的 Vout是一个稳定的电压值给输出电路供电。R2、C 形成一个放电回路，当固体继电器不工作时，由于输出端功率器件的电容效应，会在 Vout一端积累电荷，会影响到功率器件的寿命，通过 R2、C 形成的回路可以释放掉功率器件积累的电荷，保护功率器件。2.5 输出电路设计VoutVi 第 5 页输出电路包括功率器件、吸收电路和过热保护器件。大电流直流固体继电器在关断时产生的尖峰
9、电压极高，如何保护功率器件是设计中的一个难点，这里采用了吸收电路解决这一难题。（1） 功率器件的选择不同的输出形式，要选用不同的功率器件，其输出驱动电路也有所不同。功率器件是固体继电器的核心部件，选择好合适的功率器件是设计成功的关键。本产品中功率器件可选用的类型主要有功率场效应管（MOSFET） 、绝缘栅双极晶体管（IGBT） 、双极晶体管和达林顿晶体管。MOSFET 耐压高，输出电流大，漏电流小，导通管压降低，驱动功率小，体积小，故作为大电流直流固体继电器的功率器件比较合理。根据大电流直流固体继电器的应用特点，应选用低电压降型的 MOSFET。功率器件的类型确定以后，具体型号的选择可根据额定
10、输出电压、额定输出电流、输出电压降、体积情况，遵循以下原则：Id=（23）I 额定Vds=（1.52）V 额定以 24V 150A 固体继电器为例，功率器件选用电流 300A、耐压 60V 的 MOSFET。由于单个 MOSFET 很难达到如此高的电流，因此本项目中的 MOSFET 可以用 4 个 60V，75A 场效应管并联的方式解决该问题。（2） 吸收电路大电流直流固体继电器在关断时产生的尖峰电压较高，因此在输出电路中增加吸收电路对 MOSFET 进行保护，本电路中采用 RCD 吸收电路如图 5。图 5 RCD 吸收电路R 为功率电阻，C 为高频无感电容，D 为快恢复二极管。MOSFET
11、导通时，D 反偏，C 通 第 6 页过 R 放电，R 消耗能量并限制放电电流；MOSFET 关断时，C 通过 D 吸收尖峰电压，使MOSFET 的尖峰电压不会过高。MOSFET 在关断时产生的尖峰电压较高，可由下式计算：Vdsp=Vdd+L di/dt式中，V dsp为源-漏极间的尖峰电压，单位为 V；V dd为负载电源电压，单位为 V；L 为主电路和引线电路电感之和，单位为 H；di/dt 为 MOSFET 集电极电流变化速率，单位为 A/s。可见在大电流、关断速度很快时，尖峰更大。因此在输出电路中增加吸收电路对MOSFET 进行保护。RCD 吸收电路中 R、C 由下式计算：R1/(6C)C
12、=LI2/(Vdsp-Vdd)2 电阻 R 的功率由下式计算：P=LI2/2式中， 为工作频率。（3） 过热保护器件由于 MOSFET 的失效模式多为 G、S 极之间短路，并且固体继电器的输出端直接接大功率负载，一旦 MOSFET 出现短路故障，固体继电器的输出回路将会长时间接通，对输出回路将会产生非常严重的后果。因此，需要在输出回路之间加热保护器件，如图 6。如 6 加热保险丝的输出保护回路热保护器件必须符合以下两点要求：一是要能够通过固体继电器正常工作时的电流；二是当固体继电器出现非正常工作时的要能够熔断。综合以上两点热保护器件选择热保险-+热 保 护 器 Vout 第 7 页丝，该保险丝
13、可通过高达 300A 的工作电流，并且当固体继电器的温度达到 118时热保险丝自动切断，从而能够很好的保护固体继电器的输出回路。3 结束语经过联合技术攻关， JGY24-150 型大电流直流固体继电器的开发获得成功，经鉴定试验，其各项技术指标均达到了设计要求要求。在长达三年的应用中，故障率仅为 1%。在未来还将进一步完善优化。参考文献：1 张海出.JG-3F 型直流固体继电器M.机电元件，1996.162 刘青立.JG 型高电压大电流直流固体继电器设计M.机电元件，2009.33 李序葆，赵永健.电力电子器件及应用M.北京机械工业出版社，2003.4 QC/T 413-2002,汽车电气设备基本技术条件论文联系人：赵辉地址：安徽省蚌埠市长征路 773 号， 邮编 233010单位：中国电子科技集团公司第四十研究所-华成公司TEL：0552-4074674手机：15255239686电邮： 第 8 页
