一種控制交流電機轉向的固體繼電器設計

辛建平，李彩英，肖寶寶

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

在電機控制領域，目前普遍采用機械開關組成的或專用集成電路控制功率開關器件組成的電路，對電機進行換向和調速控制。機械開關由于壽命短、可靠性低、耐惡劣環境能力差，故障率高，因此很難適用于高可靠領域。一些半導體廠商推出的專用集成電路，結合計算機可以構成直流電機控制系統，但是專用集成電路構成的電機驅動系統輸出功率有限，而且不適用于較高工作電壓的場合，因此使其應用范圍受到一定限制。而固體繼電器具有開關速度快，無觸點、無機械運動零部件，可靠性高，壽命長，干擾小，耐沖擊、振動，耐潮濕等特點，因此在各類軍事裝備中使用越來越廣泛。應某用戶要求，我公司為其研制生產了一款基于H橋電路的控制交流單向伺服電機轉向的固體繼電器。

2 主要技術指標

通過對用戶使用要求和環境等指標的分析，確定該繼電器的主要技術指標如下:

(1)正、反轉控制輸入電壓范圍:4Vd.c.～7Vd.c.;

(2)正、反轉控制輸入電流:≤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 電路設計

在電機控制系統中，常采用H橋電路進行電機的調速和換向控制。實際應用中，有全橋型和半橋型兩種方式。半橋型(圖1a)多用于電機的制動和調速，而全橋型(圖1b)則適用于電機換向、制動和調速，這也是目前應用最廣泛的一種方式(以下論述的H橋電路均是指全橋型)。全橋型控制便于實現電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉和反轉制動，組成H橋的4個開關管必須工作在斬波狀態，S1、S3為一組，S2、S4為一組，這兩組狀態互補，當一組導通時，另一組必須截止。當S1、S3導通時，S2、S4截止，電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉制動;當S1、S3截止，S2、S4導通時，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。

圖1 H橋驅動原理電路圖

H橋驅動電路控制的原理就是通過兩組功率開關改變電機兩端的電壓極性，從而改變電流的方向，實現直流電機的正、反轉控制。本繼電器要求控制的是一種小型交流伺服(同步)電機，而H橋控制驅動電路是否可以實現交流伺服電機的換向，這是我們必須考慮的問題。由交流伺服電機的原理(見圖2)可知，交流伺服電機(控制繞組兩端)在沒有控制電壓時，定子內只有勵磁繞組內產生脈動的磁場，轉子靜止不動;當有控制電壓時，定子內產生一個旋轉磁場，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，在負載恒定的情況下，電動機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反向轉動。

圖2 交流伺服電機電路原理

因此，只要改變伺服電機控制繞組兩端電壓的相位，就可以實現電機的換向控制，所以通過H橋電路可以實現交流伺服電機的正、反轉換向控制。

3.1 總體電路設計

該繼電器輸入分別為一組正轉輸入電路和一組反轉輸入電路，輸出電路控制采用電機轉向控制的H橋典型電路。固體繼電器電路部分由正、反轉輸入電路、隔離驅動電路、泄放電路、H橋輸出電路等組成，原理框圖見圖3。

圖3 交流電機轉向固體繼電器原理框圖

其工作原理為:當正轉輸入端加控制信號時，通過隔離電路、驅動電路和延時電路控制H橋電路中一組橋臂接通，從而控制電機正向轉動，當去除控制信號時，通過泄放電路使功率器件迅速關斷，從而使電機停止轉動;反向控制的原理同上。

根據該固體繼電器的特點和應用要求，我們對電路中比較關鍵的幾個環節重點進行了設計，主要從下面幾點進行考慮:

(1)組成H橋電路的功率器件的選擇;

(2)輸入與輸出隔離驅動電路的設計;

(3)功率器件接通和關斷時間參數對H橋電路的影響;

(4)正、反轉輸入電路的互鎖。

3.2 組成H橋電路的功率器件的選擇

在固體繼電器設計時，由于控制形式不同，對功率器件的選擇也是不同的，其驅動電路也會有所不同。功率器件是固體繼電器中的核心部件，根據不同的控制應用場合，功率器件的選用也是不同的。

通過分析，該固體繼電器可作為功率開關的功率器件有:功率MOSFET、單向晶閘管、雙向可控硅。在上述的開關器件中，由于單向晶閘管和雙向可控硅固有的過零關斷的特性，導致在控制信號去除后，必須等到電流過零時其才能關斷，開關反映時間長，不適用于高速控制系統。，將導致其損耗增大。而功率MOSFET是電壓控制元件，具有輸入阻抗高、開關速度快、通態損耗和開關輸出損耗低，無二次擊穿現象等特點，因此適用于滿足高速開關動作和大沖擊電流的需求，所以常用功率MOSFET器件構成H橋電路。同時由于單向晶閘管和雙向可控硅的導通壓降較大。

由于本產品輸出控制的為小型交流電機負載，要實現控制交流負載，必須考慮輸出功率MOSFET的開關組態和驅動電路的方便性。功率MOSFET用作控制交流負載時，一般有三種開關組態，即全波橋組態、反串聯組態和反并聯組態。全波橋組態由一個MOSFET和四個二極管構成，功率開關的導通壓降為MOSFET的導通壓降和兩個二極管的導通壓降之和。反串聯組態由兩個MOSFET反向串聯構成，功率開關的導通壓降為MOSFET導通壓降和另一MOSFET寄生二極管的導通壓降之和。反向并聯組態由兩個MOSFET和兩個二極管構成，功率開關的導通壓降為MOSFET導通壓降和二極管的導通壓降之和。通過比較，三種開關組態中，因反串聯組態的器件數量少，導通壓降低，所以本固體繼電器采用兩個MOSFET反串聯方式組成H橋中的功率開關。

3.3 隔離電路和驅動電路設計

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

圖4 固體繼電器的兩種隔離電路結構

光電隔離通常采用光電耦合器、光伏器件來實現輸入與輸出回路之間的電氣隔離，光電隔離具有信號單向傳輸，輸入與輸出端完全實現電氣隔離，輸出端信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩定，使用壽命長，傳輸效率高。

變壓器耦合隔離方式也被大量的應用到固體繼電器的隔離驅動電路，變壓器耦合隔離形式通常采用一個具有低損耗、高頻率特性的鐵氧體磁芯環形變壓器實現輸入與輸出回路之間的電氣隔離，當輸入控制電路直流輸入信號施加在振蕩電路時，直流輸入信號被變壓器組成的振蕩器所斬波，同時通過變壓器耦合到其次級，進行整流后作為驅動電壓信號施加到輸出功率器件的控制端，控制輸出功率器件導通和關斷，可實現交流和直流負載的控制。

通過對兩種隔離驅動方式的比較，由于變壓器耦合隔離方式具有控制信號直接驅動、輸入輸出效率高、被驅動功率器件的輸出電壓降低等特點。所以，該產品中采用變壓器耦合隔離方式。

3.4 功率器件接通和關斷時間參數對H橋電路的影響

在H橋電路中，要求控制正、反轉的兩組開關必須互補。實際上由于功率MOSFET工作時存在接通和關斷時間延遲現象，不可能完全互補。在H橋電路中應用時，必須對功率MOSFET的時間參數予以考慮，這是因為在MOSFET組成的H橋電路中，如果一組橋臂的功率MOSFET的關斷時間太長，在其還未完全關斷時，另一組橋臂上的MOSFET已經接通，這時就會出現上、下橋臂直通，導致負載電源或MOSFET短路燒毀。因此，必須在兩組橋臂之間產生一個死區時間(即同一橋臂上的一個開關器件關斷信號和另一個開關器件導通信號之間的時差)，以保證上、下橋臂中功率MOSFET在一組完全關斷后，另一組才能接通。為了解決這個問題，我們在輸出電路中設置了一個延時電路，使的在兩次狀態轉換中，功率MOSFET導通時間大于關斷時間，實現“先斷后通”，保證一組橋臂的MOSFET完全關斷后，另一組橋臂的MOSFET才能接通。

3.5 正、反轉互鎖電路設計

工業自動化控制環境一般比較復雜，尤其是在有較大感性負載的控制場合，由較長的線纜、不合理的布線等引起的干擾信號比較多，這樣以來就會對控制電路造成影響，造成誤觸發或非正常的干擾信號，尤其是電機控制的H橋電路，如果不對控制電路進行處理，就可能出現正轉和反轉信號同時有效，將導致H橋電路的上、下橋臂直通，造成負載電源短路或功率器件燒毀。我們根據該產品的電路特點，利用分立器件設計了一個邏輯互鎖電路，避免了輸出部分H橋的上、下橋臂不會因輸入控制信號問題而直通，造成負載電源或MOSFET短路燒毀。

4 結構設計

4.1 總體設計

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

該固體繼電器在結構設計時，針對其密封性的要求，底板選用鋼帶材料，罩子選用白銅帶材料，這兩種材料易于進行激光熔焊密封，同時可保證產品的機械強度、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，滿足產品密封性的要求。

4.2 外形尺寸

該固體繼電器器外形尺寸圖見圖5。

圖5 外形尺寸圖

5 結束語

該固體繼電器已通過鑒定試驗，各項技術指標均符合產品標準。經過用戶在整機上使用，證明產品性能穩定，工作可靠，完全滿足整機系統的應用。

［1］ 黃庶，肖丹.自舉式H橋電機驅動電路的優化設計.［J］.應用能源技術，2009.(10).

［2］ 孫啟林.新型開關電源優化設計與實例詳解全書［M］.北京工業大學出版社，2006.

［3］ 許曉峰.電機拖動［M］.高等教育出版社，2004.

［4］ 杜坤梅，李鐵才.電機控制技術［M］.哈爾濱工業大學出版社，2002.