辛建平，李彩英，肖寶寶

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

在電機(jī)控制領(lǐng)域，目前普遍采用機(jī)械開(kāi)關(guān)組成的或?qū)Ｓ眉呻娐房刂乒β书_(kāi)關(guān)器件組成的電路，對(duì)電機(jī)進(jìn)行換向和調(diào)速控制。機(jī)械開(kāi)關(guān)由于壽命短、可靠性低、耐惡劣環(huán)境能力差，故障率高，因此很難適用于高可靠領(lǐng)域。一些半導(dǎo)體廠商推出的專(zhuān)用集成電路，結(jié)合計(jì)算機(jī)可以構(gòu)成直流電機(jī)控制系統(tǒng)，但是專(zhuān)用集成電路構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出功率有限，而且不適用于較高工作電壓的場(chǎng)合，因此使其應(yīng)用范圍受到一定限制。而固體繼電器具有開(kāi)關(guān)速度快，無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件，可靠性高，壽命長(zhǎng)，干擾小，耐沖擊、振動(dòng)，耐潮濕等特點(diǎn)，因此在各類(lèi)軍事裝備中使用越來(lái)越廣泛。應(yīng)某用戶(hù)要求，我公司為其研制生產(chǎn)了一款基于H橋電路的控制交流單向伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向的固體繼電器。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)用戶(hù)使用要求和環(huán)境等指標(biāo)的分析，確定該繼電器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)正、反轉(zhuǎn)控制輸入電壓范圍:4Vd.c.～7Vd.c.;

(2)正、反轉(zhuǎn)控制輸入電流:≤20mA;

(3)額定輸出電壓:80Va.c.;

(4)額定輸出電流:1A;

(5)輸出電壓降:≤0.4Va.c.;

(6)輸出漏電流:≤20μA;

(7)工作溫度:－55℃ ～105℃;

(8)密封性:≤1 ×10－2Pa.cm3/s。

3 電路設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，常采用H橋電路進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速和換向控制。實(shí)際應(yīng)用中，有全橋型和半橋型兩種方式。半橋型(圖1a)多用于電機(jī)的制動(dòng)和調(diào)速，而全橋型(圖1b)則適用于電機(jī)換向、制動(dòng)和調(diào)速，這也是目前應(yīng)用最廣泛的一種方式(以下論述的H橋電路均是指全橋型)。全橋型控制便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)制動(dòng)，組成H橋的4個(gè)開(kāi)關(guān)管必須工作在斬波狀態(tài)，S1、S3為一組，S2、S4為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)，另一組必須截止。當(dāng)S1、S3導(dǎo)通時(shí)，S2、S4截止，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng);當(dāng)S1、S3截止，S2、S4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。

圖1 H橋驅(qū)動(dòng)原理電路圖

H橋驅(qū)動(dòng)電路控制的原理就是通過(guò)兩組功率開(kāi)關(guān)改變電機(jī)兩端的電壓極性，從而改變電流的方向，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。本繼電器要求控制的是一種小型交流伺服(同步)電機(jī)，而H橋控制驅(qū)動(dòng)電路是否可以實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的換向，這是我們必須考慮的問(wèn)題。由交流伺服電機(jī)的原理(見(jiàn)圖2)可知，交流伺服電機(jī)(控制繞組兩端)在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng);當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 交流伺服電機(jī)電路原理

因此，只要改變伺服電機(jī)控制繞組兩端電壓的相位，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向控制，所以通過(guò)H橋電路可以實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)換向控制。

3.1 總體電路設(shè)計(jì)

該繼電器輸入分別為一組正轉(zhuǎn)輸入電路和一組反轉(zhuǎn)輸入電路，輸出電路控制采用電機(jī)轉(zhuǎn)向控制的H橋典型電路。固體繼電器電路部分由正、反轉(zhuǎn)輸入電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、泄放電路、H橋輸出電路等組成，原理框圖見(jiàn)圖3。

圖3 交流電機(jī)轉(zhuǎn)向固體繼電器原理框圖

其工作原理為:當(dāng)正轉(zhuǎn)輸入端加控制信號(hào)時(shí)，通過(guò)隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路和延時(shí)電路控制H橋電路中一組橋臂接通，從而控制電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)去除控制信號(hào)時(shí)，通過(guò)泄放電路使功率器件迅速關(guān)斷，從而使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);反向控制的原理同上。

根據(jù)該固體繼電器的特點(diǎn)和應(yīng)用要求，我們對(duì)電路中比較關(guān)鍵的幾個(gè)環(huán)節(jié)重點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要從下面幾點(diǎn)進(jìn)行考慮:

(1)組成H橋電路的功率器件的選擇;

(2)輸入與輸出隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì);

(3)功率器件接通和關(guān)斷時(shí)間參數(shù)對(duì)H橋電路的影響;

(4)正、反轉(zhuǎn)輸入電路的互鎖。

3.2 組成H橋電路的功率器件的選擇

在固體繼電器設(shè)計(jì)時(shí)，由于控制形式不同，對(duì)功率器件的選擇也是不同的，其驅(qū)動(dòng)電路也會(huì)有所不同。功率器件是固體繼電器中的核心部件，根據(jù)不同的控制應(yīng)用場(chǎng)合，功率器件的選用也是不同的。

通過(guò)分析，該固體繼電器可作為功率開(kāi)關(guān)的功率器件有:功率MOSFET、單向晶閘管、雙向可控硅。在上述的開(kāi)關(guān)器件中，由于單向晶閘管和雙向可控硅固有的過(guò)零關(guān)斷的特性，導(dǎo)致在控制信號(hào)去除后，必須等到電流過(guò)零時(shí)其才能關(guān)斷，開(kāi)關(guān)反映時(shí)間長(zhǎng)，不適用于高速控制系統(tǒng)。，將導(dǎo)致其損耗增大。而功率MOSFET是電壓控制元件，具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)輸出損耗低，無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，因此適用于滿(mǎn)足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作和大沖擊電流的需求，所以常用功率MOSFET器件構(gòu)成H橋電路。同時(shí)由于單向晶閘管和雙向可控硅的導(dǎo)通壓降較大。

由于本產(chǎn)品輸出控制的為小型交流電機(jī)負(fù)載，要實(shí)現(xiàn)控制交流負(fù)載，必須考慮輸出功率MOSFET的開(kāi)關(guān)組態(tài)和驅(qū)動(dòng)電路的方便性。功率MOSFET用作控制交流負(fù)載時(shí)，一般有三種開(kāi)關(guān)組態(tài)，即全波橋組態(tài)、反串聯(lián)組態(tài)和反并聯(lián)組態(tài)。全波橋組態(tài)由一個(gè)MOSFET和四個(gè)二極管構(gòu)成，功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降為MOSFET的導(dǎo)通壓降和兩個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降之和。反串聯(lián)組態(tài)由兩個(gè)MOSFET反向串聯(lián)構(gòu)成，功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降為MOSFET導(dǎo)通壓降和另一MOSFET寄生二極管的導(dǎo)通壓降之和。反向并聯(lián)組態(tài)由兩個(gè)MOSFET和兩個(gè)二極管構(gòu)成，功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降為MOSFET導(dǎo)通壓降和二極管的導(dǎo)通壓降之和。通過(guò)比較，三種開(kāi)關(guān)組態(tài)中，因反串聯(lián)組態(tài)的器件數(shù)量少，導(dǎo)通壓降低，所以本固體繼電器采用兩個(gè)MOSFET反串聯(lián)方式組成H橋中的功率開(kāi)關(guān)。

3.3 隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

固體繼電器輸入電流一般很小(mA級(jí))，而輸出電流很大，為減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)其它電路的干擾和對(duì)其它電路的保護(hù)，因此輸出與輸出之間必須進(jìn)行電氣隔離。一般常采用光電隔離和變壓器耦合隔離方式，基本電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 固體繼電器的兩種隔離電路結(jié)構(gòu)

光電隔離通常采用光電耦合器、光伏器件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入與輸出回路之間的電氣隔離，光電隔離具有信號(hào)單向傳輸，輸入與輸出端完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離，輸出端信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。

變壓器耦合隔離方式也被大量的應(yīng)用到固體繼電器的隔離驅(qū)動(dòng)電路，變壓器耦合隔離形式通常采用一個(gè)具有低損耗、高頻率特性的鐵氧體磁芯環(huán)形變壓器實(shí)現(xiàn)輸入與輸出回路之間的電氣隔離，當(dāng)輸入控制電路直流輸入信號(hào)施加在振蕩電路時(shí)，直流輸入信號(hào)被變壓器組成的振蕩器所斬波，同時(shí)通過(guò)變壓器耦合到其次級(jí)，進(jìn)行整流后作為驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)施加到輸出功率器件的控制端，控制輸出功率器件導(dǎo)通和關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)交流和直流負(fù)載的控制。

通過(guò)對(duì)兩種隔離驅(qū)動(dòng)方式的比較，由于變壓器耦合隔離方式具有控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)、輸入輸出效率高、被驅(qū)動(dòng)功率器件的輸出電壓降低等特點(diǎn)。所以，該產(chǎn)品中采用變壓器耦合隔離方式。

3.4 功率器件接通和關(guān)斷時(shí)間參數(shù)對(duì)H橋電路的影響

在H橋電路中，要求控制正、反轉(zhuǎn)的兩組開(kāi)關(guān)必須互補(bǔ)。實(shí)際上由于功率MOSFET工作時(shí)存在接通和關(guān)斷時(shí)間延遲現(xiàn)象，不可能完全互補(bǔ)。在H橋電路中應(yīng)用時(shí)，必須對(duì)功率MOSFET的時(shí)間參數(shù)予以考慮，這是因?yàn)樵贛OSFET組成的H橋電路中，如果一組橋臂的功率MOSFET的關(guān)斷時(shí)間太長(zhǎng)，在其還未完全關(guān)斷時(shí)，另一組橋臂上的MOSFET已經(jīng)接通，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)上、下橋臂直通，導(dǎo)致負(fù)載電源或MOSFET短路燒毀。因此，必須在兩組橋臂之間產(chǎn)生一個(gè)死區(qū)時(shí)間(即同一橋臂上的一個(gè)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷信號(hào)和另一個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通信號(hào)之間的時(shí)差)，以保證上、下橋臂中功率MOSFET在一組完全關(guān)斷后，另一組才能接通。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谳敵鲭娐分性O(shè)置了一個(gè)延時(shí)電路，使的在兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)間大于關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“先斷后通”，保證一組橋臂的MOSFET完全關(guān)斷后，另一組橋臂的MOSFET才能接通。

3.5 正、反轉(zhuǎn)互鎖電路設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化控制環(huán)境一般比較復(fù)雜，尤其是在有較大感性負(fù)載的控制場(chǎng)合，由較長(zhǎng)的線纜、不合理的布線等引起的干擾信號(hào)比較多，這樣以來(lái)就會(huì)對(duì)控制電路造成影響，造成誤觸發(fā)或非正常的干擾信號(hào)，尤其是電機(jī)控制的H橋電路，如果不對(duì)控制電路進(jìn)行處理，就可能出現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號(hào)同時(shí)有效，將導(dǎo)致H橋電路的上、下橋臂直通，造成負(fù)載電源短路或功率器件燒毀。我們根據(jù)該產(chǎn)品的電路特點(diǎn)，利用分立器件設(shè)計(jì)了一個(gè)邏輯互鎖電路，避免了輸出部分H橋的上、下橋臂不會(huì)因輸入控制信號(hào)問(wèn)題而直通，造成負(fù)載電源或MOSFET短路燒毀。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

該固體繼電器內(nèi)部主要由底座、功率輸出部分(H橋)、分立元件組裝部分(控制和驅(qū)動(dòng)電路部分)及罩子等組成。

該固體繼電器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)其密封性的要求，底板選用鋼帶材料，罩子選用白銅帶材料，這兩種材料易于進(jìn)行激光熔焊密封，同時(shí)可保證產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度、防腐耐熱;引出端采用鐵鎳鈷合金，可以保證與玻璃絕緣子的封接，滿(mǎn)足產(chǎn)品密封性的要求。

4.2 外形尺寸

該固體繼電器器外形尺寸圖見(jiàn)圖5。

圖5 外形尺寸圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該固體繼電器已通過(guò)鑒定試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)用戶(hù)在整機(jī)上使用，證明產(chǎn)品性能穩(wěn)定，工作可靠，完全滿(mǎn)足整機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用。

［1］ 黃庶，肖丹.自舉式H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì).［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2009.(10).

［2］ 孫啟林.新型開(kāi)關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)例詳解全書(shū)［M］.北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3］ 許曉峰.電機(jī)拖動(dòng)［M］.高等教育出版社，2004.

［4］ 杜坤梅，李鐵才.電機(jī)控制技術(shù)［M］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.