光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器回路研究與誤觸發(fā)改進(jìn)措施

楊廣羽，馬玉新，傅亞光，劉 敏，王彥賓

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光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器回路研究與誤觸發(fā)改進(jìn)措施

楊廣羽1，馬玉新2，傅亞光1，劉 敏1，王彥賓1

(1.許繼電氣股份有限公司, 河南 許昌 461000；2.國網(wǎng)伊犁供電公司，新疆 伊寧 835000)

為了解決帶開關(guān)光電耦合MOS柵驅(qū)動回路出現(xiàn)上級回路無動作，下級MOSFET柵微型固態(tài)繼電器誤觸發(fā)的不足，對MOS柵微型固態(tài)繼電器的原理進(jìn)行分析與研究?；隍?qū)動回路固有特點，綜述了其工作原理及MOSFET場效應(yīng)管靜態(tài)開關(guān)特性，理論推導(dǎo)出開關(guān)開合時，回路中電容充放電動態(tài)過程。針對這種驅(qū)動回路，提出增加電阻回路等安全性能更高的改進(jìn)措施。通過實驗，驗證其可靠性。實驗結(jié)果證明了理論推導(dǎo)暫態(tài)過程的正確性及措施的可行性，為光電耦合MOSFET柵微型固態(tài)繼電器提供了新的回路方案，有效地減少接口信號回路引起的直流工程故障停運。

光電耦合；微型固態(tài)繼電器；MOSFET場效應(yīng)；動態(tài)過程；電容

0 引言

微型MOSFET柵光電耦合固態(tài)繼電器具有優(yōu)良的輸入輸出電氣隔離性能和抗干擾性能，廣泛應(yīng)用在航天、航空、通信、計算機(jī)及工業(yè)自動化等領(lǐng)域。此類光耦繼電器為無觸點開關(guān)器件，動作無電弧，不存在觸點回路回跳和抖動現(xiàn)象，可靠性高、壽命長，且輸入電流小，抗干擾能力強(qiáng)。由于具有動作穩(wěn)定、體積小、重量輕、組裝密度高等特點，且比傳統(tǒng)電磁繼電器響應(yīng)速度快、故障率低，目前在直流控制保護(hù)系統(tǒng)接口回路中被廣泛應(yīng)用[1-5]。

光電耦合MOSFET柵驅(qū)動回路為電子元件，雖然有良好的開關(guān)性能，但其性能必須在驅(qū)動回路中正確使用才能確?；芈氛幼?。在換流站現(xiàn)場調(diào)試過程中，帶連接開關(guān)的MOS柵光電耦合驅(qū)動回路就會出現(xiàn)上級回路無動作，下級微型MOSFET柵光電耦合固態(tài)繼電器誤觸發(fā)現(xiàn)象。

本文從光電耦合MOSFET柵微型固態(tài)繼電器驅(qū)動回路的工作原理及等效電路分析，搭建模擬測試回路，查找出現(xiàn)誤觸發(fā)原因,從而提出安全性能更高的回路改進(jìn)措施。

1 光電耦合MOS柵回路研究與分析

1.1 光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器原理

光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器采光電耦合器件隔離手段實現(xiàn)電→光→電轉(zhuǎn)換。通過電路測試，直流工程中采用的菲尼克斯PLC-OSC系列此類產(chǎn)品的原理見圖1。

圖1 MOS門光電耦合固態(tài)繼電器原理圖

圖中：A1+A2-為信號輸入正、負(fù)端；13+14-為信號輸出正、負(fù)端； D1、D2為反向保護(hù)二極管；V1為穩(wěn)壓二極管； U1為光電耦合器件，光敏元件相當(dāng)于電壓源； C1、Cp為電容，減少高頻信號干擾；R1為限流電阻； R2、R3為電荷泄放電阻； M1為MOSFET場效應(yīng)管；Q2為三極管，殘壓泄放。

如圖1所示，固態(tài)繼電器輸入端A1+、A2-經(jīng)限流電阻R1連接至內(nèi)部光電耦合器件U1的輸入，光電耦合器件U1的輸出連接MOSFET場效應(yīng)管的柵極(G)，MOSFET場效應(yīng)管的漏極(D)和源極(S)分別連接至繼電器的13+、14輸出端。當(dāng)電信號從信號輸入端A1、A2端接入后，電流流經(jīng)光電器件U1內(nèi)部的紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生一定強(qiáng)度的紅外光。后級的光敏檢測器為光伏二極管陣列，其在經(jīng)紅外光照射后可產(chǎn)生具有一定幅值與能量的電壓使MOSFET管導(dǎo)通。該電壓值在10?V左右，負(fù)載電流在10~20?uA，可滿足一般MOSFET管的柵極驅(qū)動能力要求。反之，無電信號輸入時，無電流流過發(fā)光二極管，光伏二極管陣列無電壓輸出到MOSFET柵控制極，三極管Q2的基極電壓小于集電極電壓，穩(wěn)壓管V1的電壓經(jīng)Q2回路進(jìn)行殘壓泄放，加快輸出信號關(guān)斷。其中，電容C1可以過濾到干擾信號，穩(wěn)定U1輸出端電壓；穩(wěn)壓管V1起保護(hù)作用，以把柵極控制電壓限制在15V以下，避免柵極遭受瞬態(tài)過電壓沖擊而損壞。

接口回路常用菲尼克斯光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器和傳統(tǒng)電磁繼電器性能參數(shù)對比，見表1。

由以上分析可知，光耦固態(tài)繼電器相比傳統(tǒng)的電磁式繼電器具有明顯的特點與優(yōu)勢。其輸入輸出間為光電隔離方式，響應(yīng)速度快。觸點輸出無抖動無電弧，動作穩(wěn)定性、安全性高；且關(guān)斷電壓高，抗干擾性能好。另外， MOSFET場效應(yīng)管是此類固態(tài)繼電器主要的信號輸出元件，其柵極的驅(qū)動控制方式會直接影響光耦固態(tài)繼電器的輸出特性。

表1 主要性能指標(biāo)對比

1.2 MOSFET場效應(yīng)管特性分析

由于MOSFET柵光電耦合微型固態(tài)繼電器主要用的是N溝道增強(qiáng)型MOSFET，本文僅對此種MOSFET驅(qū)動回路進(jìn)行原理分析。

MOSFET內(nèi)部有源極(S)、柵極(G)、漏極(D)和襯底(B)，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。N+的源區(qū)與漏區(qū)隔著硅半導(dǎo)體。半導(dǎo)體在外電場的作用下電離出載流子，載流子流動形成導(dǎo)電溝道，形成電流D連通漏極、源極。

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效示意圖

由于功率MOSFET場效應(yīng)管在外加電場作用下，漏、源極之間產(chǎn)生電流，對外特性相當(dāng)于容性負(fù)載，其等效原理見圖3所示。當(dāng)MOSFET無觸發(fā)時，處于高阻截止?fàn)顟B(tài)，DS、DS無窮大。當(dāng)MOSFET觸發(fā)時，處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，DS、DS無窮小。

MOSFET場效應(yīng)管在固態(tài)繼電器驅(qū)動回路中的作用就是良好的開斷特性。其開關(guān)特性曲線如圖4所示，其工作過程可以分為三個階段。

圖3 MOSFET等效原理圖

圖4 MOSFET開關(guān)特性曲線

階段1：MOSFET管由截止?fàn)顟B(tài)到開始導(dǎo)通狀態(tài)；在MOS關(guān)斷時，漏極電壓DS恒定，DS、GS無窮大。此時柵極流過電流G，GS開始充電，GS升高。此時源區(qū)與漏區(qū)之間隔著P型區(qū)，且該反型層PN結(jié)反偏，無漏極電流；直到GST，即d(on)時段結(jié)束。在r時段內(nèi)，GST，柵極下P型硅表面發(fā)生強(qiáng)反型，該反型層形成N溝道而連通漏極和源極，產(chǎn)生漏電流通電D。其中

式中：為柵的總寬度；為溝道的長度；OX為單位面積氧化層電容；為電子遷移率；T為閾電壓。

由式(1)可知：GS越大，溝道里的電子越多，D就越大。漏極電流D隨著GS增加而增大。

此過程直到GSGSP，MOSFET管工作在飽和臨界狀態(tài)，GS增加，但漏極電流D保持不變結(jié)束。

階段2：MOSFET場效應(yīng)管工作在飽和狀態(tài)，處于導(dǎo)通狀態(tài)。耗盡層空間電荷全部釋放進(jìn)導(dǎo)電溝道，漏極電流D恒定，GS充電到穩(wěn)態(tài)值N。

階段3：MOSFET管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)；此過程與階段1相反，在MOS導(dǎo)通時，柵極電壓GS恒定，此時柵極流過電流開始G減少，GS開始放電，GS降低，D減小，此過程直到GS=T，d(off)時刻，D為零結(jié)束。在f時段，反型層PN結(jié)反偏，GS減小為零， MOS管完全進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

通過MOSFET場效應(yīng)管特性過程分析，其靜態(tài)開關(guān)主要工作原理是改變GS大小來控制溝道的導(dǎo)電性，從而控制漏極電流D及電壓DS，是電壓控制性電子元件。但MOSFET場效應(yīng)管容性特性及寄生晶體管回路的影響，其動態(tài)d/d的能力較弱。為保護(hù)MOSFET管，通常會增加旁路電容來濾除高頻干擾信號，避免d/d變化劇烈。圖1中的p就是在固態(tài)繼電器MOS回路增加的旁路電容，避免d/d變化過快，MOS管擊穿損壞[6-10]。

2 誤觸發(fā)回路及故障原因分析

2.1 誤觸發(fā)驅(qū)動回路

2014年9月25日，楚雄換流站在未停運直流輸電系統(tǒng)的情況下，執(zhí)行閥組保護(hù)的定值修改工作。閥組保護(hù)系統(tǒng)與VBE接口回路示意如圖5所示?，F(xiàn)場操作順序為：退出閥組保護(hù)系統(tǒng)1，同時打開該保護(hù)系統(tǒng)的LP21出口壓板，修改完保護(hù)定值后，進(jìn)行復(fù)電操作，投入“閉鎖觸發(fā)脈沖至VBE”壓板。

圖5 楚雄站接口回路示意圖

在投入保護(hù)壓板LP21后，直流輸電系統(tǒng)的直流電壓、直流電流在100 ms內(nèi)波動。觸發(fā)角先降低到5o持續(xù)時間大約50?ms，150?ms后慢慢恢復(fù)正常，現(xiàn)場波形見圖6所示。該波形是直流輸電系統(tǒng)典型的丟失觸發(fā)脈沖響應(yīng)，但是后臺系統(tǒng)并沒有接收到閥組保護(hù)的“閉鎖觸發(fā)脈沖”的SER信息，也沒有收到任何其它異常SER信息，當(dāng)時的操作只有投入“閉鎖觸發(fā)脈沖至VBE”壓板。

圖6 故障波形

2015年8月20號，在寧東工程大修現(xiàn)場，執(zhí)行現(xiàn)場極保護(hù)的修改工作結(jié)束，進(jìn)行極保護(hù)系統(tǒng)復(fù)電過程中，在K301B固態(tài)繼電器原邊沒有施加激勵量的情況下，合上LP31壓板時，K249光隔繼電器動作，造成極控系統(tǒng)誤收信號，寧東工程接口回路示意如圖7所示。

對上述兩種MOS柵光電耦合驅(qū)動回路分析，發(fā)現(xiàn)均在壓板打開一段時間后，合壓板時出現(xiàn)上級回路無動作，下級MOSFET柵微型固態(tài)繼電器誤觸發(fā)現(xiàn)象。且接口回路中都采用的是德國菲尼克斯的PLC-OSC系列MOSFET柵光電耦合驅(qū)動固態(tài)繼電器。不同之處是壓板在驅(qū)動回路的位置。

圖7 寧東工程接口回路示意圖

2.2 模擬測試回路測試及誤觸發(fā)問題分析

為全面分析故障原因，對菲尼克斯的PLC-OSC系列光控MOS柵固態(tài)繼電器工作原理及內(nèi)部MOSFET驅(qū)動回路進(jìn)行分析，搭建了與現(xiàn)場一致模擬回路進(jìn)行測試，模擬測試模型見圖8。

圖8 測試模型

在模擬測試回路中為方便操作，用開關(guān)-K1、-K2替代誤觸發(fā)驅(qū)動回路中，加在MOSFET的漏極、源極的保護(hù)壓板。前級A模塊采用菲尼克斯PLC-OSC-24DC/300DC/2，后一級B模塊用PLC- OSC-125DC/24DC/2，兩種固態(tài)繼電器的性能參數(shù)見表1所示。

實驗條件：A模塊正常工作，開關(guān)K1、K2閉合狀態(tài)，且其輸入無施加電壓。

此時打開K1或K2開關(guān)，通過示波器A通道(藍(lán)色)，B通道(紅色)來撲捉開關(guān)下柱頭和下一級B模塊出口電壓信號。一個小時后，閉合開關(guān)波形見圖9所示。

圖9 閉合開關(guān)測試波形

從圖9波形中可以看出A通道開關(guān)下柱頭尖峰脈沖的電壓大于下級光耦動作電壓閥值, 且電壓衰減到60 V的動作時間約300ms，大于光耦動作響應(yīng)時間，造成回路中下級光隔動作。

在實驗條件下，A模塊MOSFET管關(guān)斷時DS=110 V，A模塊內(nèi)部電容p兩端電壓也為110 V。以打開K2開關(guān)為例，模擬測試回路的等效電路見圖10。

圖10 測試模型等效電路(打開K2開關(guān)時)

當(dāng)K2斷開后，通過對等效電路分析，回路中發(fā)生以下兩種工作過程：

過程1：驅(qū)動回路被切斷，但由于MOSFET存在漏源極間存在漏電流DSS(約0.1~1 uA，25℃)，則電容p存貯的電荷開始通過MOSFET回路放電。隨放電時間增加，p兩端電壓由110 V逐漸變小，而繼電器14端對電源負(fù)端(-55V)電壓14~M= +110V-DS，14~M電壓則逐漸升高。放電時間越長，DS越小，14~G的電壓就越高，p的間電容就會被放的越多。

過程2：接口回路中電纜中的分布電容f與p串接至驅(qū)動回路,f開始充電，f電壓逐漸上升靠近靜態(tài)點電壓，p電壓是逐漸下降靠近靜態(tài)點電壓。由于回路中電纜很短，其等效的分布電容值很小，可忽略。

在過程1中，電容放電

式中，s為p放電初始電壓值，s=110 DC。

由于截止?fàn)顟B(tài)下，圖10等效電路中RC無限大，放電時間很長，且隨著放電時間增長，14～M逐步增大，p電容的能量就會被放的越多，電容電壓就越小，直到接近靜態(tài)點電壓。

合開關(guān)K2時，負(fù)載回路投入，且此時p間電壓較低，則負(fù)載電路又重新對p進(jìn)行充電。

式中：p=100 nF ；=LOAD；0是充電時電容上的初始電壓值，即為過程1電容放電結(jié)束的電壓值；s為逐漸逼近110VDC靜態(tài)電壓值；為充電時間常數(shù)。

由式(3)可知，當(dāng)0越小，充電所需能量越大。且電容值越大，其充電時間越長，CP越大14～M越小。當(dāng)0=0，即放電完成后達(dá)到靜態(tài)平衡后，合開關(guān)時，驅(qū)動回路電容重新充電時間最長，其電容充電過程的波形見圖11。

圖11 電容充電暫態(tài)波形

其充電電流流向下一級MOS柵固態(tài)繼電器負(fù)載回路。當(dāng)其充電時間大于下一級負(fù)載回路的響應(yīng)時間，且14～M大于下級MOSFET門微型固態(tài)繼電器動作電壓，下級負(fù)載回路就會導(dǎo)通，導(dǎo)致信號誤輸出[11-13]。

當(dāng)開關(guān)K1加在MOSFET管漏極時，其K1斷開的放電回路等效電路中相當(dāng)于增加了下級負(fù)荷的LOAD電阻，其放充電暫態(tài)過程與分合開關(guān)K2相同。

根據(jù)上述動態(tài)特性原理分析，以打開K2開關(guān)為例，對過程1放電時間(K2打開時間)進(jìn)行實驗測試，測試結(jié)果見圖12。從實驗結(jié)果可以看出：旁路電容放電時間越長，誤觸發(fā)幾率就越大，長至1h后，后級必觸發(fā)。

圖12 測試結(jié)果

通過上述理論分析及實驗測試可知，此類MOS柵固態(tài)繼電器中旁路電容p在MOS門光電耦合驅(qū)動回路中開關(guān)分合時，p電容兩端電壓變化引起電容放充電暫態(tài)過程。且分開關(guān)后電容放電的時間越長，再次合開關(guān)時，其電容充電動態(tài)過程中充電時間越長。另一方面旁路電容越大，其合開關(guān)過程充電時間也越長[14-15]。

當(dāng)暫態(tài)電壓14～M大于下一級負(fù)載回路的動作電壓，且放電時間大于負(fù)載響應(yīng)時間，就會出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象。

3 誤觸發(fā)回路改進(jìn)措施

為提高直流換流站設(shè)備的接口回路信號的可靠性，解決帶開關(guān)MOS柵光電耦合驅(qū)動回路出現(xiàn)上級回路無動作，下級光電耦合MOSFET柵微型固態(tài)繼電器誤觸發(fā)現(xiàn)象，本文提出對應(yīng)的改進(jìn)措施。

3.1 改進(jìn)措施一

該改進(jìn)措施為設(shè)立獨立一個電容充放電泄放回路，回路原理如圖13所示該泄放回路R封裝在帶刀閘的端子中，此電阻回路可方便的安裝在光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器的導(dǎo)軌上。

電阻回路的電阻值通常選擇比后級負(fù)載的阻值要小，例如實際工程中，根據(jù)負(fù)載電壓等級不同，后級負(fù)載的LOAD阻值約30~100 kΩ。為減少附加的電阻泄放回路功率消耗，阻值可配置50 kΩ左右。

在進(jìn)行操作驅(qū)動回路的開關(guān)K1、K2前，合上刀閘端子，把電阻回路接在驅(qū)動回路中。在開關(guān)分合時，p電容電壓變化引起電容放充電電流可以通過此電阻回路泄放，且等效電阻減少，加快了充放電時間。在驅(qū)動回路的開關(guān)K1、K2分、合操作結(jié)束時，打開刀閘端子，去除電阻回路泄放回路。

3.2 改進(jìn)措施二

該改進(jìn)措施減小光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器設(shè)計的旁路電容p的容值或取消旁路電容。當(dāng)p容值減少或取消時，其儲存的能量少，且充放電時間常數(shù)也減少。但此時如果過大的電壓擾動，存在MOSFET管受損的風(fēng)險。對一些電壓波動不大的回路，可采用此種改進(jìn)措施。

3.3 改進(jìn)措施三

對這種有開關(guān)分、合操作接口回路，如果對接口信號響應(yīng)速度要求不高的情況，可以用傳統(tǒng)的電磁式繼電器代替光電耦合MOS柵固態(tài)繼電器實現(xiàn)。電磁繼電器是機(jī)械式觸點元件，沒有旁路電容回路，不存在暫態(tài)的充放電過程。

通過模擬仿真回路實驗驗證，以上三種改進(jìn)措施均能在能旁路電容放充電暫態(tài)過程中，避免放電時間長，防止驅(qū)動回路誤觸發(fā)現(xiàn)象。其中改進(jìn)措施一的電阻回路已在我公司自主研發(fā)的新型光電耦合MOSFET柵微型固態(tài)繼電器得以應(yīng)用，并申請了國家專利。

4 總結(jié)

通過對MOSFET柵光電耦合固態(tài)繼電器原理及開關(guān)操作過程暫態(tài)過程的深入研究與分析，確定了帶開關(guān)MOS門光電耦合驅(qū)動回路出現(xiàn)上級回路無動作，下級MOSFET門微型固態(tài)繼電器產(chǎn)生誤觸發(fā)現(xiàn)象的原因，并針對不同接口回路，提出了切實可行、安全性高的回路改進(jìn)措施，解決了特殊用途驅(qū)動回路誤觸發(fā)難題，有效地減少了接口信號回路引起的系統(tǒng)故障停運，提高了直流工程運行的安全性。

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(編輯 張愛琴)

Research of photoelectric MOS gate solid state relay circuit and spurious triggering improvement

YANG Guangyu1, MA Yuxin2, FU Yaguang1, LIU Min1, WANG Yanbin1

(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. State Grid Yili Electric Power Supply Company, Yining 835000, China)

In order to solve the MOS photoelectric coupling circuit of mini solid state relay with switch triggered by mistake when the upper loop no action, the principle of mini solid state relay is analyzed and researched. Meanwhile, itsummarizes the working principle and static features of MOSFET field-effect tube. Based on the characteristics of the circuit, the loop capacitor charge and discharge dynamic process is deduced when switch opening and closing. The reasons for false triggering are identified, and then this driving circuit with higher safety performance improvement measures is put forward. The test results show the reliability of the measures. The experimental results prove the validity of the theoretical derivation transient process and measures of feasibility. These improvement measures provide a new circuit scheme for photoelectric MOS gate mini solid state relay. It also can effectively decrease DC project outage caused by interface circuit fault.

photoelectric coupling; mini solid state relay; MOSFET field-effect tube;dynamic procedure;capacitance

10.7667/PSPC160113

2016-01-19；

2016-03-01

楊廣羽(1979-)，女,工程碩士，工程師，從事高壓直流控制保護(hù)成套電氣設(shè)計；E-mail: YGY2311@126.com 馬玉新(1969-)，女，工程師，主要從事設(shè)備管理、變電運行、輸變電設(shè)施可靠性等工作；傅亞光(1972-)，男,本科，高級工程師，從事高壓直流控制保護(hù)產(chǎn)品平臺研發(fā)。