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| 高电压大电流直流固体继电器的电路设计 |
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Circuit Design for High Voltage and Large Current
DC SSR
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■ 中电集团第四十研究所 张小良
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摘 要：本文叙述了高压大电流固体继电器的工作原理，分析了在电路设计中的几项关键 技术，最后确定了相关电路的设计方法。
关键词：固体继电器；IGBT；电路
引言
二十一世纪以来，随着电力电子技术和材料科学、制造工艺的不断发展，全控型的电力电子器件正朝着高电压、大电流、快通断、低损耗和模块化的方向发展。这为高电压大电流固体继电器的开发和研制打下了坚实的基础。
作为一种新型的电子开关元件，高压大电流直流固体继电器主要应用于使用大电源和大负载且负载需要频繁通断的场合，所以它在航空、航海及电子信息等自动化领域的应用前景十分广阔。在高压大电流直流固体继电器中，输出功率管是核心器件。由于IGBT兼有功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点，它具有开关速度快、驱动功率小、受电压控制等特点。为此，在直流固体继电器的设计中通常采用IGBT模块作为功率输出器件。目前，国内外生产IGBT的公司很多，产品型号规格也很齐全。经过比较，选用日本三菱公司生产的CH400MA-28H型的IGBT模块较为理想，其性能完全符号产品的设计要求。
电路设计
高压大电流直流固体继电器不同于一般的固体继电器，其设计方法也不一样。在其电路设计中，IGBT的驱动电路设计最为关键，而其它各部分电路的设计主要是围绕怎样驱动IGBT而进行的。在设计过程中还要研究它的输出低导通电压降技术、瞬态浪涌抑制技术。
固体继电器的主要技术指标如下：
针对以上技术指标和固体继电器本身特点，把电路设计成以下部分：偏置电路、输入电路、光耦隔离电路、驱动电路和输出电路。工作原理是：当输入电压接到输入电路后，光电耦合器快速接通，然后偏置电压通过驱动电路加到IGBT栅极，随之固体继电器导通；一旦输入电压切除，光电耦合器快速关断，IGBT栅极失去电压，固体继电器迅速关断。具体原理图如图1。
输入电路
由于输入电压为3-32Vdc，且输入电流控制在9mA左右，因此输入电路采用恒流电路。它由场效应管、三极管和主要元件恒流管组成。由计算可知，当输入电压变化时，输入电流只与恒流管的定值、三极管的参数和电阻R1有关。输入电流的恒定有利于提高光电耦合器的寿命。
偏置电路
设计偏置电路的目的是为驱动电路提供电源。在电路中，输入电压为24Vdc，通过DC/DC模块转换，输出电压为15Vdc，然后加到驱动电路上。此电路设计简单、工作可靠。
光耦隔离电路
目前，在固体继电器领域中应用比较有效的隔离器件有光电耦合器、隔离变压器等。根据本产品的特点，即输入电路与输出电路必须隔离，选用快速光电耦合器作为固体继电器的隔离器件。
驱动电路
对于高压大电流固体继电器，开关功率损耗很容易造成输出功率器件的损坏。解决这类问题的关键并不是提高固体继电器的开关速度，而是提高输出功率器件导通时驱动电压的上升延与下降延的时间。驱动电路由R3、R4、R5、C3和V6组成。当光电耦合器导通时，偏置电源迅速通过栅极电阻向IGBT栅极电容充电，使IGBT模块导通，以减少开关损耗。合理调整元器件的参数，能有效地把驱动电压上升延时间控制在5
s以内。同时由V7、V8、V9和R6组成的关断电路能有效地减少关断时间，把下降延时间控制在2 s以内。
图1中R7为栅极电阻，选择适当的栅极电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断是对栅极电容的充放电来实现的，因此栅极电阻的阻值对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻对栅极电容的充放电较快，从而可减少开关时间和开关损耗。所以较小的栅极电阻增强了功率输出器件工作的耐固性，但同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极-发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。根据设计要求和IGBT的资料数据，栅极电阻可以通过以下公式来计算。
Ig=Qg/ =2040 10-9/5 10-6=408(mA)
R7=(V-Vge)/Ig=(15-7.5)/408 10-3=18.38
式中 Ig: 栅极驱动电流；
Qg: 栅极电荷的电量；
R7: 栅极电阻；
V: 栅极驱动电压；
Vge: 栅极阈值电压；
: IGBT的导通时间。
在本电路中栅极电阻取15 左右。
另外，驱动电压一般在14 17Vdc为最佳值，其大小应足够使IGBT模块产生饱和，使通态损耗减至最小。驱动电压偏低导致输出功率器件处于临界导通状态，使管压降升高，器件功耗增大；驱动电压过高，容易造成栅极击穿。图1中V15起稳压作用。
图1 高压大电流固体继电器电路原理图(略)
输出电路
输出电路的设计主要是功率器件的选择。在电路设计中应选用低电压型的IGBT模块。由于固体继电器诓亢椭鞯缏分写嬖谧旁由⒌绺校谄骷囟鲜保骰芈分胁芨叩腖di/dt。它与直流电源叠加在一起，在IGBT的集电极和发射极之间形成了很高的反峰电压，使IGBT模块耐压不够而击穿损坏。因此在输出电路中要设计保护电路以吸收反峰电压，对功率器件进行保护。图1中采用RCD吸收回路作为保护电路，它由V13、R8和C4组成。电容C4在IGBT模块V11的开关过程中不发生完全的充放电。稳态时电容电压维持为直流电源电压，电容上的反峰电压通过直流电源和电阻R8放电；IGBT关断时，线路中的杂散电感引起的反峰电压通过二极管被电容吸收。
正常情况下，IGBT的集电极和发射极之间形成的反峰电压被限制在所选器件额定电压的80%以内。模块CH400MA-28H的额定电压为1400Vdc，为了保护模块，则反峰电压要限制在1400V
0.8=1120V以内。
在保护电路中，C4应选用无感电容，其充电电压的最终值Ucep不得超过IGBT的额定电压，C4的容量通过以下公式计算：
C4= LI02/(Ucep-Ud)2
式中 L： 主回路的分布电感；
I0: 集电极的电流；
Ud: 直流电源值。
V13选用高频快恢复二极管，而R8应选用氧化膜电阻，但其阻值不应太小，以免保护电路的电流产生振荡；IGBT关断时，以C4上的电荷释放90%为条件，可以计算出R8的阻值：
R8≤1/2.3 C4 f
f为开关频率 。
另外，在制作印制电路板时，元器件的布局一定要合理；IGBT的驱动端G和E直接与电路板焊接；吸收回路应直接连接到IGBT相应的端子上，以减少杂散电感。
结论
按照《固体继电器总规范》的要求，采用该电路所研制的固体继电器，经过常温、高温和低温三种试验，其电性能均符合设计要求，取得了满意效果。
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