讨论高压大电流直流固态继电器电路

摘要: 本文介绍了高压大电流固态继电器的工作原理，分析了电路设计中的几种关键技术，最后确定了相关电路的设计方法.

关键字: 固态继电器； IGBT;电路

简介

自21世纪以来，随着电力电子技术，材料科学和制造工艺的不断发展，完全受控的电力电子设备正朝着高电压，大电流，快速开/关，低损耗和模块化方向发展. 发展. 这为高压大电流固态继电器的开发和发展奠定了坚实的基础.

作为一种新型的电子开关元件，高压大电流直流固态继电器主要用于使用大功率电源和大负载且需要频繁开关负载的应用中，因此它用于自动化领域，例如航空，导航和电子信息. 前景非常广阔. 在高压大电流直流固态继电器中，输出功率管是核心设备. 由于IGBT具有功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET的优点，因此具有开关速度快，驱动功率和电压控制小的特点. 因此，在直流固态继电器的设计中，IGBT模块通常用作功率输出设备. 目前，有很多生产IGBT的公司，产品型号和规格也很齐全. 经过比较，日本三菱公司生产的CH400MA-28H型IGBT模块是理想的，其性能完全由产品的设计要求所象征.

电路设计

高压大电流直流固态继电器与普通固态继电器不同，其设计方法也不同. 在其电路设计中，IGBT驱动电路的设计最为关键，而电路其他部分的设计则主要围绕如何驱动IGBT. 在设计过程中，还应研究其输出低导通压降技术和瞬态浪涌抑制技术.

固体继电器的主要技术指标如下:

根据上述技术指标和固态继电器本身的特性，该电路设计为以下部分: 偏置电路，输入电路，光耦合器隔离电路，驱动电路和输出电路. 工作原理是: 当输入电压连接到输入电路时直流固态继电器 电路，光电耦合器快速导通，然后通过驱动电路将偏置电压加到IGBT栅极，固体继电器导通. 一旦输入电压被切断，光电耦合器便迅速关闭，IGBT门极失去电压，固态继电器也迅速关闭. 具体原理图如图1所示.

输入电路

由于输入电压为3-32Vdc，并且输入电流控制在9mA左右，因此输入电路使用恒流电路. 它由场效应管，三极管和恒流管组成. 从计算中可以看出，当输入电压变化时，输入电流仅与恒流管设置，晶体管参数和电阻R1有关. 恒定的输入电流有助于延长光电耦合器的寿命.

偏置电路

设计偏置电路的目的是为驱动电路供电. 在该电路中，输入电压为24Vdc，由DC / DC模块转换，输出电压为15Vdc，然后加到驱动电路中. 该电路设计简单，运行可靠.

光耦合器隔离电路

当前，固态继电器领域中更有效的隔离设备包括光电耦合器和隔离变压器. 根据该产品的特性，即必须将输入电路和输出电路隔离，并使用快速光电耦合器作为固态继电器的隔离装置.

驱动电路

对于高压大电流固态继电器，开关功率损耗很容易导致输出功率器件损坏. 解决此类问题的关键不是提高固态继电器的开关速度，而是增加输出功率设备导通时驱动电压上升和下降的时间. 驱动电路由R3，R4，R5，C3和V6组成. 当光耦合器导通时，偏置电源通过栅极电阻为IGBT的栅极电容快速充电，从而使IGBT模块导通以减少开关损耗. 合理调整组件的参数可以有效地将驱动电压上升延迟时间控制在5 s之内. 同时，由V7，V8，V9和R6组成的停机电路可以有效地减少停机时间，并将下降延迟时间控制在2 s之内.

图1中的R7是栅极电阻. 为IGBT栅极驱动选择合适的栅极电阻非常重要. IGBT的导通和关断是通过对栅极电容进行充电和放电来实现的，因此栅极电阻的电阻对IGBT的动态特性有很大的影响. 较小值的电阻器可更快地对栅极电容器充电和放电，从而减少了开关时间和开关损耗. 因此，较小的栅极电阻可以提高功率输出设备的耐用性，但同时，它只能承受较小的栅极噪声，并且可能引起栅极发射极电容和栅极驱动线的寄生电感. 振荡. 根据设计要求和IGBT数据，可以通过以下公式计算栅极电阻.

Ig = Qg / = 2040 10-9 / 5 10-6 = 408（mA）

R7 =（V-Vge）/ Ig =（15-7.5）/ 408 10-3 = 18.38

其中Ig: 栅极驱动电流；

Qg: 栅极电荷量；

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.

该电路的栅极电阻约为15.

此外，驱动电压通常为14 17Vdc时的最佳值，其大小应足以使IGBT模块饱和，以最小化导通损耗. 低驱动电压导致输出功率器件处于临界导通状态，从而增加了管电压降并增加了器件的功耗. 驱动电压太高，很容易导致栅极击穿. 图1中的V15在电压调节中起作用.

图1高压大电流固态继电器电路原理图（省略）

输出电路

输出电路的设计主要是功率器件的选择. 在电路设计中应选择低压IGBT模块. 由于采用了固态继电器，高级椭圆体由绺校区谄骨架养生抈微小威胁腖Di / dt分别编写. 它与直流电源叠加，在IGBT的集电极和发射极之间形成较高的反向峰值电压直流固态继电器 电路，这使IGBT模块的耐压性不足并造成击穿损坏. 因此，应在输出电路中设计保护电路，以吸收反向峰值电压并保护功率器件. 图1使用RCD吸收电路作为保护电路，该电路由V13，R8和组成. 在IGBT模块V11的开关过程中，电容器没有完全充电和放电. 在稳定状态下，电容器电压保持在直流电源电压，电容器上的反向峰值电压通过直流电源和电阻器R8放电；当IGBT关断时，线路中的杂散电感引起的反向峰值电压会通过二极管被电容器吸收.

在正常情况下，IGBT的集电极和发射极之间形成的反向峰值电压被限制为小于所选器件额定电压的80％. CH400MA-28H模块的额定电压为1400Vdc. 为了保护模块，反向峰值电压应限制在1400V 0.8 = 1120V.

在保护电路中，应使用无感电容器. 其充电电压Ucep的最终值不应超过IGBT的额定电压. 的容量通过以下公式计算:

= LI02 /（Ucep-Ud）2

其中L: 主回路的分布电感；

I0: 集电极电流；

Ud: 直流电源值.

V13选择高频快速恢复二极管，R8应使用氧化膜电阻器，但其电阻不应太小以避免保护电路电流的振荡；当IGBT关断时，上的电荷释放90％，R8的电阻可以计算出:

R8≤1/ 2.3 f

f是开关频率.

此外，在制作印刷电路板时，组件的布局必须合理； IGBT的驱动端子G和E直接焊接到电路板上. 吸收电路应直接连接到IGBT的相应端子，以减小杂散电感.

结论

根据《固态继电器通用规范》的要求，本电路开发的固态继电器已通过了常温，高温和低温三项测试，其电气性能已达到设计要求并取得了满意的成绩. 结果.

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