3.4 隔离电路的设计
限时保护继电器的输入端控制电流很低, 而输出电流很大, 所以, 它们之间必须进行电隔离, 其隔离电路的原理图如图7 所示。本电路中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、变压器耦合电路和整流电路组成。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50kHz ~200kHz, 实现快速响应。
隔离变压器磁芯是本电路的关键器件, 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:
⑴ 磁导率和饱和磁通密度要高, 可减少线圈匝数, 减小内阻, 减小磁环体积;
⑵ 矫顽力要小, 减小磁滞损失;
⑶ 电阻率要高, 减小涡流损耗;
⑷ 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6 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。
⑴ 调整RC 值, 改变振荡频率, 测试输出参数, 并计算耦合效率η, 直至η最大;
⑵ 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。
同个隔离电路耦合后的电流信号为交流信号,经过整流桥电路D1、D2 整流后, 为驱动电路提供工作电流。
3.5 驱动电路的设计
驱动电路直接给输出电路供电, 输出电路的功率场效应管必须由恒压源驱动。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。工作电流经过R13、V11 形成回路, V11 为15V 稳压管, 确保提供给输出电路的场效应管驱动电压为15V 恒压源。R14、C5 形成一个放电回路, 当限时保护继电器不工作时, 由于输出端功率场效应管的电容效应, 会在功率场效应管的G 端积累电荷,会影响到功率场效应管的寿命, 通过R14、C5 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, 见图8 所示。
3.6 串联输出电路的设计
输出电路包括功率场效应管、串联保护回路和吸收电路。
⑴ 功率场效应管的选择
功率场效应管是限时保护继电器的核心部件,选择合适的功率场效应管是设计成功的关键。本产品中的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, 故作为限时保护继电器的功率器件比较合理。
根据限时保护继电器的应用特点, 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输出电压、额定输出电流、输出电压降、体积及市场情况, 遵循以下原则:
以24V 5A 限时保护继电器为例, 功率器件选用耐压250V、电流46A 的MOSFET.
⑵ 串联保护回路的设计
根据图9 的电路原理图所示, 通过电磁继电器K 与功率场效应管Q1 串联, 当限时保护继电器不工作时, 电磁继电器K 的触点断开, 功率场效应管的两端无电压。因此, 发动机系统产生的电磁干扰不会对功率场效应管Q1 产生影响; 当限时保护继电器加电工作时, 电磁继电器的吸合时间为10ms, 而功率场效应管的吸合时间为延时滤波时间200ms, 因此, 吸合时电磁继电器K 在不带电的情况下先吸合; 当限时保护继电器断电时, 由于功率场效应管的关断时间快, 为2.5ms, 因此, 关断时电磁继电器K 在不带电的情况下后关断, 通过此电路设计, 可确保电磁继电器不会出现带电切换的情况, 即不会出现电弧情况, 可确保电磁继电器K 稳定工作。
⑶ 吸收电路
限时保护继电器在关断时产生的干扰电压峰值较高, 因此, 在输出电路中增加吸收电路对功率场效应管Q1 进行保护, 本电路中采用VRC 吸收电路。其中, V12 为快恢复二极, 管R15 为功率电阻, C6 为高频无感电容。Q1 导通时, V12 反偏,C6 通过R15 放电, R 消耗能量并限制放电电流;Q1 关断时, C6 通过V12 吸收干扰电压, 使Q1 的尖峰电压不会过高。
Q1 在关断时产生的干扰电压较高, 可由下式进行计算:
式中, Vcep为集-射极间的尖峰电压, 单位为V; Vcc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.
由此可见, 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。VRC 吸收电路中R、C 由下式进行计算:
4 结束语
本文介绍了固体式限时保护继电器的电路设计, 并详细介绍了输入电路设计、延时滤波电路设计、限时保护电路设计、隔离电路设计、驱动电路设计、串联输出电路设计, 并经过威廉希尔官方网站 攻关, 研制出JGD24 -5 型固体式限时保护继电器。经试验验证, 其各项威廉希尔官方网站 指标均达到了该方案的设计要求。