JGD24 -5 型固體式限時保護繼電器的設計方案

當反相器的“13” 引腳電壓充電到3.8V 時，反相器開始工作， 其中V5 為5V 穩壓管。

因此， V (t) 為3.8V, E 為5V, 代入上式：

3.3 限時保護電路的設計

為了避免起動機單次過長時間起動， 起動機因過熱損壞絕緣層而燒毀定轉子， 進而損壞起動機，在限時保護繼電器的輸入端設計出限時保護電路(如圖6 所示)。輸入端加電， 由于電容器C1 兩端的電壓不能夠突變， 因此， 反相器的“1” 引腳為高電平， 通過兩級反向門， 反相器的“4” 腳為高電平， 三極管V7 接通， 限時保護繼電器開始工作。此時， 通過C1、R5 回路給電容C1 充電， 當反相器“1” 腳電壓低于3.8V 時(即電容C1 兩端的電壓為1.2V)， 反相器的“4” 腳輸出低電平信號， 此時三極管V7 關斷， 限時保護器停止工作。

其中， 充電時間的計算公式如下：

3.4 隔離電路的設計

限時保護繼電器的輸入端控制電流很低， 而輸出電流很大， 所以， 它們之間必須進行電隔離， 其隔離電路的原理圖如圖7 所示。本電路中采用振蕩電路的變壓器耦合隔離。變壓器耦合隔離主要由高頻振蕩電路、變壓器耦合電路和整流電路組成。高頻振蕩電路采用雙端推挽自激振蕩輸出， 它比單端輸出更能提高輸入能量的轉換效率。提高振蕩頻率， 使其達到50kHz ~200kHz, 實現快速響應。

隔離變壓器磁芯是本電路的關鍵器件， 直接關系到電路的特性和轉換效率。根據材料特性與本電路的特點， 并通過反復試驗， 采用Mn-Zn 高磁導率鐵氧體材料作為隔離變壓器磁芯。在選擇鐵氧體材料時要考慮如下幾個方面：

⑴ 磁導率和飽和磁通密度要高， 可減少線圈匝數， 減小內阻， 減小磁環體積;

⑵ 矯頑力要小， 減小磁滯損失;

⑶ 電阻率要高， 減小渦流損耗;

⑷ 合理選擇居里溫度， 提高磁環的綜合性能。

隔離電路設計的另一個關鍵是振蕩電路的設計， 在本電路中振蕩電路如圖6 所示。在隔離的輸入與輸出確定后， 通過下列方式對振蕩電路進行優化設計。

⑴ 調整RC 值， 改變振蕩頻率， 測試輸出參數， 并計算耦合效率η， 直至η最大;

⑵ 調整變壓器線圈匝數， 測試輸出參數， 并計算耦合效率直至最大。

同個隔離電路耦合后的電流信號為交流信號，經過整流橋電路D1、D2 整流后， 為驅動電路提供工作電流。

3.5 驅動電路的設計

驅動電路直接給輸出電路供電， 輸出電路的功率場效應管必須由恒壓源驅動。因此， 選擇高精度限流電阻提供功率管工作所需要的工作電流。工作電流經過R13、V11 形成回路， V11 為15V 穩壓管， 確保提供給輸出電路的場效應管驅動電壓為15V 恒壓源。R14、C5 形成一個放電回路， 當限時保護繼電器不工作時， 由于輸出端功率場效應管的電容效應， 會在功率場效應管的G 端積累電荷，會影響到功率場效應管的壽命， 通過R14、C5 形成的回路可以釋放掉功率器件積累的電荷， 保護功率器件， 見圖8 所示。

3.6 串聯輸出電路的設計

輸出電路包括功率場效應管、串聯保護回路和吸收電路。

⑴ 功率場效應管的選擇

功率場效應管是限時保護繼電器的核心部件，選擇合適的功率場效應管是設計成功的關鍵。本產品中的功率器件可選用的類型主要有功率場效應管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、雙極晶體管和達林頓晶體管。MOSFET 耐壓高， 輸出電流大， 漏電流小， 導通管壓降低， 驅動功率小， 體積小， 故作為限時保護繼電器的功率器件比較合理。

根據限時保護繼電器的應用特點， 應選用低電壓降型的MOSFET.功率器件的類型確定以后， 具體型號的選擇可根據額定輸出電壓、額定輸出電流、輸出電壓降、體積及市場情況， 遵循以下原則：

以24V 5A 限時保護繼電器為例， 功率器件選用耐壓250V、電流46A 的MOSFET.

⑵ 串聯保護回路的設計

根據圖9 的電路原理圖所示， 通過電磁繼電器K 與功率場效應管Q1 串聯， 當限時保護繼電器不工作時， 電磁繼電器K 的觸點斷開， 功率場效應管的兩端無電壓。因此， 發動機系統產生的電磁干擾不會對功率場效應管Q1 產生影響; 當限時保護繼電器加電工作時， 電磁繼電器的吸合時間為10ms, 而功率場效應管的吸合時間為延時濾波時間200ms, 因此， 吸合時電磁繼電器K 在不帶電的情況下先吸合; 當限時保護繼電器斷電時， 由于功率場效應管的關斷時間快， 為2.5ms, 因此， 關斷時電磁繼電器K 在不帶電的情況下后關斷， 通過此電路設計， 可確保電磁繼電器不會出現帶電切換的情況， 即不會出現電弧情況， 可確保電磁繼電器K 穩定工作。

⑶ 吸收電路

限時保護繼電器在關斷時產生的干擾電壓峰值較高， 因此， 在輸出電路中增加吸收電路對功率場效應管Q1 進行保護， 本電路中采用VRC 吸收電路。其中， V12 為快恢復二極， 管R15 為功率電阻， C6 為高頻無感電容。Q1 導通時， V12 反偏，C6 通過R15 放電， R 消耗能量并限制放電電流;Q1 關斷時， C6 通過V12 吸收干擾電壓， 使Q1 的尖峰電壓不會過高。

Q1 在關斷時產生的干擾電壓較高， 可由下式進行計算：

式中， Vcep為集-射極間的尖峰電壓， 單位為V; Vcc為負載電源電壓， 單位為V; L 為主電路和引線電路電感之和， 單位為H; di/dt 為MOSFET集電極電流變化速率， 單位為A/s.

由此可見， 在大電流、關斷速度很快時， 尖峰更大。因此， 在輸出電路中增加吸收電路對MOSFET進行保護。VRC 吸收電路中R、C 由下式進行計算：

4 結束語

本文介紹了固體式限時保護繼電器的電路設計， 并詳細介紹了輸入電路設計、延時濾波電路設計、限時保護電路設計、隔離電路設計、驅動電路設計、串聯輸出電路設計， 并經過技術攻關， 研制出JGD24 -5 型固體式限時保護繼電器。經試驗驗證， 其各項技術指標均達到了該方案的設計要求。(作者：劉凱，趙輝)