固態(tài)繼電器過載失效與浪涌抑制電路參數(shù)設(shè)計(jì)

胡雪巖，王永成，賁廣利

（中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件［1］，具有無電磁干擾、開關(guān)速度快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，這使得固態(tài)繼電器在軍事、航空航天等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛。

具有容性負(fù)載的空間有效載荷，在上電瞬間，由于容性負(fù)載兩端的電壓變化，會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，如不對(duì)浪涌電流加以抑制，很容易對(duì)載荷以及開關(guān)器件造成損傷［2-5］。浪涌電流的強(qiáng)度與輸入電壓、開關(guān)速度以及空間載荷阻容特性具有直接關(guān)系［6］。

針對(duì)空間有效載荷地面測(cè)試中浪涌電流導(dǎo)致固態(tài)繼電器過載失效進(jìn)行分析，并提出一種浪涌電流抑制電路主要參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

1 浪涌電流致固態(tài)繼電器過載失效

在某型號(hào)空間有效載荷的總控及配電單元中應(yīng)用IR公司RDHB710SE20A2SP固態(tài)繼電器作為總控及配電單元控制后端模塊上下電的執(zhí)行元件，圖1為應(yīng)用示意圖，總控單元通過FPGA控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)后端模塊電源的開關(guān)控制。

圖1 SSR應(yīng)用示意圖

空間有效載荷在發(fā)射之前，需經(jīng)過多項(xiàng)測(cè)試，在對(duì)該型號(hào)空間有效載荷總控及配電單元控制后端模塊上下電功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使用電子負(fù)載模擬后端模塊，在完成上電功能測(cè)試后，無法完成對(duì)電子負(fù)載的下電操作，排故發(fā)現(xiàn)，固態(tài)繼電器輸出端短路，即固態(tài)繼電器內(nèi)部IRHNJ67230型號(hào)MOSFET的漏極和源極始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，失效分析的結(jié)果為使用過程中出現(xiàn)過載導(dǎo)致固態(tài)繼電器輸出端短路，圖2為固態(tài)繼電器失效分析時(shí)內(nèi)部圖。

圖2 SSR失效器件內(nèi)部展圖

通過分析地面測(cè)試過程，推斷在電子負(fù)載上電的過程中產(chǎn)生了浪涌電流，致使固態(tài)繼電器過載損壞，為了驗(yàn)證推斷的準(zhǔn)確性，對(duì)電子負(fù)載上電瞬間的浪涌電流進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試裝置主要有電子負(fù)載、磁保持繼電器、示波器、直流電源和電流鉗，電子負(fù)載為南京艾德克斯公司的IT8800，直流電源為美國是德公司的N8700，磁保持繼電器為桂林航天電子的1JB40-1，示波器為美國是德公司的DS0S104A，電流鉗為是德公司的N2781B，圖3為電子負(fù)載上電瞬間浪涌電流測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示，使用磁保持繼電器給電子負(fù)載上電瞬間產(chǎn)生幅度50A左右的浪涌電流，表明電子負(fù)載在上電瞬間確實(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌，初步將固態(tài)繼電器失效故障定位。

圖3 電子負(fù)載浪涌測(cè)試結(jié)果

磁保持繼電器與固態(tài)繼電器的開關(guān)特性有所不同，測(cè)試實(shí)驗(yàn)中用磁保持繼電器代替實(shí)際地面測(cè)試中使用的固態(tài)繼電器，可能會(huì)導(dǎo)致電子負(fù)載在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的浪涌電流與在實(shí)際地面測(cè)試中產(chǎn)生的浪涌電流有所差異，在確認(rèn)電子負(fù)載在上電瞬間會(huì)產(chǎn)生浪涌電流后，為進(jìn)一步驗(yàn)證固態(tài)繼電器失效故障定位的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了復(fù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，遵循先前載荷地面測(cè)試流程，載荷的總控及配電單元控制固態(tài)繼電器完成對(duì)電子負(fù)載的上電操作后，無法完成對(duì)電子負(fù)載的下電操作，故障問題得到復(fù)現(xiàn)，圖4為復(fù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示，使用固態(tài)繼電器給電子負(fù)載上電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流幅度達(dá)到150A左右。

圖4 SSR故障復(fù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

固態(tài)繼電器內(nèi)部MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出如圖5所示的最大安全工作區(qū)域，x軸為漏源極電壓VDS，y軸為漏極電流ID，圖中顯示，在某一VDS下，ID幅度的極值會(huì)隨持續(xù)時(shí)間的不同而有所不同，但其最大值為64A左右，復(fù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的150A浪涌電流遠(yuǎn)超出其安全工作區(qū)域，固態(tài)繼電器故障問題得到定位。

通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)與復(fù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，可將固態(tài)繼電器過載失效的原因定位于電子負(fù)載在上電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流幅度過大，超出固態(tài)繼電器的安全工作區(qū)域，因而導(dǎo)致固態(tài)繼電器過載損壞。

圖5 IRHNJ67230安全工作區(qū)

2 構(gòu)建浪涌電流模擬源

浪涌電流模擬源是能夠產(chǎn)生所需浪涌電流的電路，在載荷地面測(cè)試中，由于電子負(fù)載在上電瞬間的浪涌電流已經(jīng)導(dǎo)致固態(tài)繼電器的過載失效，該型號(hào)的固態(tài)繼電器以及地面測(cè)試設(shè)備價(jià)格昂貴，為確保不損壞電子負(fù)載等測(cè)試設(shè)備，在浪涌電流得到有效抑制前，不繼續(xù)使用電子負(fù)載，利用浪涌電流模擬源替代電子負(fù)載進(jìn)行浪涌抑制電路的設(shè)計(jì)及性能測(cè)試；而且，電子負(fù)載阻容特性固定，在外部條件一定時(shí)，浪涌電流確定，通過浪涌電流模擬源可定制不同幅度的浪涌電流；同時(shí)，為方便計(jì)算與仿真，應(yīng)該搭建出模擬電子負(fù)載上電瞬間產(chǎn)生浪涌電流的等效電路模型，構(gòu)建成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于在仿真軟件及計(jì)算軟件中搭建出的等效電路模型，解決在仿真軟件及計(jì)算軟件中無法添加電子負(fù)載模型的問題。

圖6 浪涌電流模擬源結(jié)構(gòu)示意圖

電子負(fù)載在上電瞬間產(chǎn)生浪涌電流的主要原因是由于容性負(fù)載兩端電壓變化引起的，故采取如圖6所示RC并聯(lián)電路構(gòu)建浪涌電流的模擬源，RC電路在仿真軟件和計(jì)算軟件中可方便獲取電路模型，可在計(jì)算和仿真中替代電子負(fù)載；由于該型號(hào)空間載荷的后端模塊的穩(wěn)定工作電流為1A，供電母線電壓為100V，所以浪涌電流模擬源的電阻R選取100Ω，保證浪涌電流模擬源在上電穩(wěn)定后的工作電流與后端模塊穩(wěn)定工作電流一致；浪涌電流模擬源的電阻確定后，模擬源浪涌電流的幅度由模擬源可變電容箱容值決定，外部條件固定時(shí)，可變電容箱容值不同，上電產(chǎn)生的浪涌電流不同，圖7為根據(jù)浪涌電流模擬源電路模型計(jì)算得到的不同容值下浪涌電流模擬源產(chǎn)生的浪涌電流，x軸為電容，y軸為時(shí)間，z軸為浪涌電流幅度。

圖 7不同容值下浪涌模擬源產(chǎn)生浪涌電流的計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)一步確定浪涌電流模擬源的浪涌電流與容值的關(guān)系，在10μF～100μF區(qū)間，間隔10μF取值進(jìn)行仿真，圖8為仿真結(jié)果，與計(jì)算結(jié)果基本一致，計(jì)算與仿真相互驗(yàn)證，有助于準(zhǔn)確、高效地選取合適的浪涌電流模擬源電容參數(shù)。

圖8 不同容值下浪涌電流模擬源仿真結(jié)果

預(yù)構(gòu)建100A左右的浪涌電流，參照?qǐng)D 8，容值在50μF左右，為方便搭建實(shí)際浪涌模擬源，選取常用的47μF電容，圖9為對(duì)47μF浪涌電流模擬源仿真結(jié)果，從圖可知，在浪涌電流模擬源電路電壓上升階段產(chǎn)生了幅度為93A左右的浪涌電流。

根據(jù)浪涌電流模擬源的電阻、電容參數(shù)，搭建實(shí)際的浪涌電流模擬源電路，并進(jìn)行浪涌電流的實(shí)測(cè)，測(cè)試設(shè)備有美國是德公司的N8700直流電源，桂林航天電子的1JB40-1磁保持繼電器，美國是德公司的DS0S104A示波器，是德公司的N2781B電流鉗，圖10為浪涌模擬源的實(shí)測(cè)結(jié)果，與仿真結(jié)果基本一致，浪涌電流的幅度為95A左右。

圖9 47μF浪涌電流模擬源仿真結(jié)果

圖10 47μF浪涌模擬源實(shí)測(cè)結(jié)果

3 浪涌電流抑制電路

為解決測(cè)試過程中電子負(fù)載在上電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流幅度過大致使固態(tài)繼電器過載失效的問題，在電子負(fù)載前端引入了浪涌電流抑制電路，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，輸入端接入供電電源，輸出端接入浪涌電流模擬源替代的負(fù)載，選取P溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)開關(guān)，為增強(qiáng)浪涌抑制電路的穩(wěn)定性和可靠性，阻容元件采取備份形式，其中R1=R2，R3=R4，C1=C2。

圖11 浪涌抑制電路結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 浪涌抑制電路的工作原理

浪涌抑制電路加在電源和負(fù)載之間，起到緩沖的作用［7］；在沒有浪涌抑制電路時(shí)，負(fù)載上電瞬間的電路模型可等效為輸入電源直接加到具有RC等效特性的負(fù)載兩端，容性負(fù)載兩端的電壓變化率較大，自然會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流［8］；有浪涌抑制電路存在時(shí)，在輸入電源電源上電后，MOSFET初始處于關(guān)閉狀態(tài)，輸入電源先通過電阻分壓對(duì)MOSFET柵極外接電容C1、C2進(jìn)行充電，當(dāng)電容的電壓達(dá)到MOSFET柵源極的門限電壓，MOSFET的漏極和源極開始逐漸導(dǎo)通［9］，直至完成對(duì)后端負(fù)載的加電［10］，相對(duì)于無抑制電路時(shí)減緩了加在負(fù)載兩端電壓的變化速率，進(jìn)而抑制負(fù)載在加電過程中產(chǎn)生的浪涌電流［11］，而抑制電路的參數(shù)直接決定著浪涌抑制電路的抑制能力。

3.2 浪涌抑制電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）MOSFET的選取

浪涌電流抑制電路主要由MOSFET、電阻和電容構(gòu)成，MOSFET實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)開關(guān)的功能，故選擇P溝道MOSFET，且要求MOSFET漏源極擊穿電壓超過負(fù)載的供電電壓，并留有余量；MOSFET漏極電流的選擇要綜合考慮到供電母線可提供的最大電流及抑制后浪涌電流的幅度，保證MOSFET的漏極電流可承受整個(gè)工作過程中出現(xiàn)的最大電流。

基于該空間有效載荷的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，浪涌抑制電路中作為低壓側(cè)開關(guān)的MOSFET選取IR公司型號(hào)為IRFM350的P溝道MOSFET，該款MOSFET的漏源極擊穿電壓達(dá)到400V，該型號(hào)空間有效載荷總控及配電單元完成對(duì)后端模塊100V電源的控制，即輸入電壓VI為100V，漏源極擊穿電壓滿足需求；該款MOSFET的漏極電流為14A，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求浪涌電流幅度不超過10A，滿足需求。

（2）電阻參數(shù)

在確定浪涌抑制電路所用的MOSFET之后，先根據(jù)MOSFET的柵極電壓參數(shù)以及預(yù)設(shè)的MOSFET柵極工作電壓確定電阻R1-R4取值的相對(duì)關(guān)系；規(guī)定R1=R2=X,R3=R4=Y,C1=C2=Cx，MOSFET的極限柵極電壓為VGS，MOSFET柵極開啟電壓為VGS（th），VI為母線輸入電壓，Vw為預(yù)設(shè)柵極工作電壓（柵極外接電容充電完成后的電壓值），電阻參數(shù)的確定要考慮以下因素：

一、保證當(dāng)某一電阻出現(xiàn)斷路故障時(shí)，浪涌抑制電路仍可以正常工作，柵極外接電容電壓要大于MOSFET柵極開啟電壓VGS（th），且不超過MOSFET的極限柵極電壓VGS，電阻參數(shù)需要滿足以下條件：

①R1-R4均正常條件下：

②R3、R4其中一個(gè)出現(xiàn)斷路故障條件下：

③R1、R2其中一個(gè)出現(xiàn)斷路故障條件下：

綜合上述三種條件，可得到X與Y的關(guān)系如下：

浪涌抑制電路所選Mosfet柵極極限電壓VGS為±20V，柵極開啟電壓VGS（th）為2～4V，代入可得：

由于：

故：

代入具體參數(shù)可得：

二、在滿足上述取值范圍要求的情況下，還應(yīng)考慮R1～R4為抑制電路的輸入電阻，應(yīng)遠(yuǎn)大于電源輸出電阻，且應(yīng)盡量降低浪涌抑制電路的功耗，故應(yīng)適量提高電阻取值的量級(jí)。

綜合考慮到浪涌抑制電路功耗以及輸入阻抗的因素，將電阻阻值的量級(jí)定位在兆級(jí)，實(shí)際R1與R2的阻值選擇為常用阻值3300K，設(shè)計(jì)中，在電阻阻值滿足設(shè)計(jì)范圍要求的前提下，建議盡量提高柵極的預(yù)設(shè)工作電壓Vw，由MOSFET性質(zhì)可知，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS（on）隨著Vw的增大而減小，進(jìn)而減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通功耗［12］，提高系統(tǒng)效率；故而，按X=8Y選擇R3和R4阻值，考慮到實(shí)際電阻阻值選取的可實(shí)現(xiàn)性及方便性，實(shí)際R3和R4的阻值選擇為412K。

（3）電容參數(shù)：

在電阻阻值參數(shù)確定后，可借助仿真軟件以及數(shù)學(xué)計(jì)算軟件完成MOSFET柵極外接電容參數(shù)的設(shè)計(jì)，針對(duì)浪涌抑制電路所示電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入電壓為VI時(shí)，根據(jù)霍爾定律可推導(dǎo)出電容兩端電壓UC(t)如下式：

令：

可得：

從上式可看出，阻值確定后，UC(t)是時(shí)間和容值的函數(shù)，不同的容值可提供不同的柵極電壓波形，而MOSFET漏源極的導(dǎo)通特性與柵極電壓有直接關(guān)系，所以通過調(diào)節(jié)電容的容值可調(diào)節(jié)MOSFET漏源極的導(dǎo)通特性，進(jìn)而調(diào)節(jié)浪涌抑制電路的抑制能力，圖12為不同容值時(shí)，電容上電壓的變化情況，x軸為電容，y為時(shí)間，z為電壓，可看出在其余參數(shù)固定時(shí)，電容容值越大，電壓上升速度越緩慢，即充電時(shí)間越長(zhǎng)。

圖12 MOSFET柵極外接電容電壓隨容值、時(shí)間的變化

將（13）中UC(t)指定為常量VGS(th)，可得到下式：

上式表明：MOSFET柵極外接電容電壓達(dá)到VGS(th)所需時(shí)間與電容容值正相關(guān)，圖13為不同容值柵極外接電容達(dá)到同一電壓值所需時(shí)間的趨勢(shì)，圖中每條曲線為一條等柵極電壓曲線，其中包含MOSFET柵源的門限電壓VGS(th)，即漏源極開啟電壓，可看出，隨著容值的增加，達(dá)到同一電壓所需時(shí)間越長(zhǎng)，達(dá)到MOSFET柵源的門限電壓VGS(th)所需時(shí)間也就越長(zhǎng)，漏極極開始導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，即浪涌電流發(fā)生時(shí)間的延遲越長(zhǎng)。

圖13 不同容值柵極外接電容達(dá)到同一電壓值所需時(shí)間

通過仿真預(yù)測(cè)浪涌抑制電路所選電容值對(duì)浪涌電流的抑制能力，構(gòu)建浪涌電流模擬源，通過對(duì)浪涌電流模擬源的浪涌電流抑制結(jié)果進(jìn)行分析，選取適當(dāng)?shù)娜葜?。在選擇柵極外接電容容值時(shí)，要平衡對(duì)浪涌電流的抑制能力與浪涌電流的延遲時(shí)間，浪涌電流的延遲時(shí)間越長(zhǎng)，負(fù)載上電開機(jī)所需時(shí)間越長(zhǎng)，在將浪涌電流抑制到符合系統(tǒng)對(duì)浪涌電流設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量避免縮短延遲時(shí)間。

構(gòu)建完浪涌電流模擬源電路及選定浪涌抑制電路的MOSFET及電阻參數(shù)后，借助仿真完成浪涌抑制電路電容參數(shù)的選取，圖14為浪涌抑制電路結(jié)合浪涌電流模擬源的仿真電路結(jié)構(gòu)。

圖14 浪涌抑制電路仿真結(jié)構(gòu)示意圖

浪涌電流模擬源的R、C參數(shù)在構(gòu)建浪涌電流模擬源電路時(shí)確定為100Ω和47μF；浪涌抑制電路的電阻參數(shù)已經(jīng)確定為3300K和412K；電阻參數(shù)確定后，浪涌抑制電路的抑制能力取決于MOSFET柵極外接電容，圖15為一定范圍內(nèi)不同容值的浪涌抑制電路對(duì)浪涌電流抑制情況的仿真結(jié)果，從圖中可看出：容值越大，浪涌電流延遲越大，浪涌電流幅度越小，故可依據(jù)此仿真結(jié)果，根據(jù)想要的浪涌電流抑制效果，選取浪涌抑制電路柵極外接電容的容值。

圖15 不同容值浪涌抑制電路的抑制能力

4 實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果，選取浪涌抑制電路電容容值為0.01μF，圖16為對(duì)0.01μF柵極外接電容的浪涌抑制電路的仿真結(jié)果，從圖中可看出，浪涌電流模擬源前端加入浪涌抑制電路后，浪涌電流的幅度為9A左右，浪涌電流的延遲時(shí)間約為700μs左右；依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)搭建實(shí)際的浪涌電流模擬源及浪涌電流抑制電路進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)試設(shè)備有美國是德公司的N8700直流電源，桂林航天電子的1JB40-1磁保持繼電器，美國是德公司的DS0S104A示波器，是德公司的N2781B電流鉗，圖17為實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)測(cè)的浪涌電流幅度為7.5A左右，浪涌電流的延遲時(shí)間約為700μs左右，與仿真結(jié)果基本一致。

圖16 0.01μF浪涌抑制電路仿真結(jié)果

圖17 0.01μF浪涌抑制電路實(shí)測(cè)結(jié)果

通過對(duì)比圖10和圖17的實(shí)測(cè)結(jié)果可看出，在未加入浪涌抑制電路之前，浪涌電流的幅度為95A，加入浪涌抑制電路后，浪涌電流幅度為7.5A，說明依據(jù)該方法設(shè)計(jì)的浪涌抑制電路參數(shù)搭建的浪涌抑制電路對(duì)浪涌電流起到了很好的抑制效果。

5 結(jié)論

為解決空間有效載荷地面測(cè)試過程中浪涌電流致使固態(tài)繼電器過載損壞的問題，在測(cè)試中增設(shè)浪涌抑制電路，借助仿真及計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)浪涌抑制電路主要參數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明，利用該浪涌抑制電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法，可高效地完成對(duì)浪涌抑制電路參數(shù)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的浪涌抑制電路可有效抑制地面測(cè)試中電子負(fù)載在上電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流，完成對(duì)該型號(hào)空間有效載荷總控及配電單元控制后端模塊上下電功能的測(cè)試。