大功率固體繼電器設計分析

李坤 李強 蹇蘭

摘要：從電氣設計和結構設計兩個方面對大功率固體繼電器的設計進行了闡述。分析了大功率固體繼電器主要的失效因素;在電氣設計分析中，分別從MOS管的選用設計，驅動電路設計兩個方面進行論述;結構設計中，針對于不同結構形式的產品，確定更合適的MOS管安裝方式;從殼體的表面積、材料選用和以及壁厚三個要素對殼體的設計進行了論述;闡述了能夠有效減小引線腳電阻的可行性方案。本文為大功率固體繼電器提供了設計思路。

關鍵詞：固體繼電器;大功率

1 引言

接觸器是傳統的、也是目前常見的大功率繼電器，但接觸器在切換高壓負載時，很容易產生拉弧，而且電壓越高，拉弧就越嚴重，負載壽命次數也會越少;同時由于接觸器為機械觸點，其抗環境機械應力的能力較差;而且目前市場上的接觸器多為非氣密性。作為固體繼電器發展的一個重要分支，高壓大功率固體繼電器相對與傳統的接觸器，具有負載體積比高、壽命長、環境機械應力適應性強等特點，越來越受到市場的關注。高壓大功率固體繼電器在歐美等發達國家的地面裝備、航空航天等領域都得到了廣泛的應用，但我國在這方面與國外先進技術水平還存在一定差距，因此高壓大功率固體繼電器方面的研究就顯得更有意義。

2 設計分析

大功率固體繼電器的主要失效模式為過熱失效;因此對于大功率固體繼電器的設計而言，必須要做到“節源開流”，就是要盡可能降低產品的發熱源的發熱功率，降低發熱量，而熱量的產生通常包括了靜態功耗和動態功耗;其次是要盡可能的降低芯片與外殼的熱阻，讓產生的熱量盡可能的散發出去，不至于因為產品內部發熱量的累積導致內部芯片溫升過高而失效。因此本文從高壓大功率固體繼電器電氣設計和高壓大功率固體繼電器結構設計兩個方面進行分析。

3 電氣設計

大功率固體繼電器的設計是在繼承普通固體繼電器電氣設計技術的基礎上，加上高壓、

大功率固體繼電器研發所特殊的要求而進行的電氣系統設計，其在輸出端功率開關管

選用設計、驅動電路的設計上都與普通的固體繼電器有很大不同，本文以MOS管作為輸出端功率開關管來進行闡述。

3.1 MOS管的選用設計

靜態功耗是固體繼電器處于穩定接通狀態時熱量的主要來源，它是通過MOS管的電流平方與輸出接通電阻的乘積。通常情況下，負載電流較小的固體繼電器對MOS管的導通電阻要求并不是很苛刻，如2A負載電流，導通電阻增加10mΩ，其靜態功耗只增加0.04W，對產品的溫升幾乎不產生影響;但對于大功率固體繼電器，特別是負載電流很大時，MOS管的導通電阻每增加1mΩ，都會大大增加輸出端的靜態功耗，如當負載電流為50A時，MOS管的導通電阻每增加1mΩ，其靜態功耗就會增加2.5W，產生的熱量將會迅速增加。

受半導體器件工藝水平的限制，短期內，MOS管的導通電阻沒有辦法實現無限減小，零點幾個毫Ω是目前的極限水平，因此在大功率固體繼電器設計時，通常一顆MOS管無法滿足單路大負載電流的需求，此時必須通過多個MOS管并聯的方式來降低輸出接通電阻，以兩個MOS管并聯為例，如圖1所示。

MOS管并聯時，由于其結電容的存在，如果公用同一個驅動源時，很容易產生諧振干擾，使MOS管無法正常工作，因此為了消除干擾，需要在MOS管的G極串聯一個電阻，如圖1所示。MOS管并聯，目的是降低導通電阻，而非提高負載電流的承受能力，必須要保證單個MOS管的負載電流大于額定負載電流，瞬間過負載能力大于產品規定的過負載能力。通常情況下，MOS管必須進行負載電壓和負載電流兩個方面降額，其中負載電壓的降額因子應至少達到0.5，負載電流的降額因子應至少達到0.3。

3.2 驅動電路設計

除了選擇合適的MOS管，以及采取多塊芯片并聯以降低其靜態功耗發熱量的問題，高壓大功率繼電器的驅動電路的電氣設計還有著其特殊的要求，半導體開關器件無法像機械觸點那樣做到瞬間接通或瞬間關斷，其接通和關斷是有一個過程的，而在此過程中恰恰是開關器件發熱量最大的時候，這個過程的功耗稱為固體繼電器的動態功耗。

我們假設產品負載電壓為270V，回路電流為50A，采用光伏隔離方式電路，對其導通過程進行電氣仿真，仿真電路和結果見圖2。

由圖3可知，MOS管的導通過程并不是階躍信號，而是一個緩慢變化過程，整個過程持續了大約560μs（0.56ms）。假設在觸點斷開過程中的中間時刻，開關器件兩端電壓為135V，那么另外的135V就直接加在5.4Ω的電阻兩端。此時，回路的電流為： ，則在該時刻，MOS管所承受的功耗為： 。由圖2可知，在MOS管的導通過程中，其電壓在不斷的變化，則回路電流也在實時的變化。為了準確計算其導通過程所產生的熱量，我們專門編制了一個程序，利用近似求積分的方法，將其導通過程分成若干份（根據軟件計算結果，將網格劃分到100次以上就可以基本接近其真實值），分別計算其導通過程瞬時功率及發熱量，最后進行求和，為了計算方便，我們假設其關斷過程為線性的，最后，計算出在導通過程中，MOS管的發熱量為1.26焦耳。因整個導通過程時間極短，為了計算方便，我們忽略了傳導、對流以及輻射的熱量損失。根據物理中的熱量計算公式可以求得芯片的溫升。 ，其中m為芯片的質量，ρ為芯片材料硅的比熱，經查，硅的比熱為700J/（Kg.℃），經實際測量，芯片質量為10mg左右，代入公式計算可得：Δt≈180℃。這么高的溫升顯然是半導體芯片所不能承受的。這也是導致高壓、大功率固體繼電器試驗過程屢有燒毀的原因。所以說，高壓大功率固體繼電器電路設計的核心就是如何降低MOS管的開啟和關斷時間，最大限度的降低其開關過程動態功耗。

鑒于變壓器隔離型的驅動電流較大，能夠有效縮短接通時間，因此對于大功率固體繼電器，通常采用變壓器隔離方式來解決光伏隔離形式固體繼電器接通時間慢的問題，采用變壓器隔離后，通常能夠將產品的接通時間縮短至幾十個μs，驅動電路原理圖如圖3所示。

4 結構設計

對于大功率固體繼電器，除了在電路設計上要充分降低產品的管壓降和通斷過程的上升沿與下降沿時間，降低其開關損耗外，還必須對其管殼設計、芯片布局設計以及陶瓷基板設計等方面進行研究，充分降低從芯片到管殼的熱阻，將產品內部的發熱量盡快、盡可能散

發出去，避免由于內部熱量過度累積、溫度上升過高而導致內部芯片燒毀。

4.1 整體機構設計

整體結構設計，主要是考慮發熱芯片的安裝位置和安裝工藝問題。在進行具體的產品設計時，芯片的安裝位置以及安裝工藝不是固定不變的，要根據具體產品情況進行分析，找出最有利于散熱的安裝方法。

發熱元件熱量的傳遞主要有傳導、對流和輻射三種方式，在不同情況下，起主要導熱的途徑可能不太相同。比如，當物體的溫度超過500℃時，此時物體會以可見光的形式向外輻射熱量，此時，輻射是熱傳遞的主要方式;而在低溫情況下，物體只能通過紅外光的形式向外輻射能量，此時熱輻射在物體熱傳遞就只能占據很小的比例。由于固體繼電器的溫度不會太高，因此輻射不是其向外散發熱量的主要方式，在此不作過多考慮;因此，傳導和對流就成了固體繼電器的主要熱傳遞方式。根據產品實際安裝方式的不同，傳導和對流在其對外熱傳遞中的比例也會發生變化;具體來說，就是有的安裝方式傳導占熱量散發的絕大部分，而有些安裝方式，對流有起主要的決定左右。

4.1.1 接線腳彎插印制板形式產品芯片安裝方式的選取

圖4和圖5是兩種典型的大功率固體繼電器結構，由圖可以看出，兩個產品引出端均采取彎插印制板方式。通常情況下，用戶使用該類產品是要安裝到印制電路板上的;眾所周知，普通印制電路板采用的FR-4覆銅板環氧玻璃布層壓板的導熱性能是很差的，這種安裝方式下，傳導對產品熱量的散發貢獻并不大，而對流在其中占了主要部分。

根據熱設計資料顯示，這兩種結構在自然對流換熱的通用準則方程式中的系數C具有很大差別，詳細情況見圖6。

由圖6可以看出，當水平板熱面朝下是，其散熱系數僅為0.27，而其散熱面朝上時，其散熱系數為0.54。由此可見，這種安裝方式的產品，應該優先選擇圖5所示產品結構，這樣才更有利于產品內部產生熱量的散發。

4.1.2 直接線腳焊線式產品芯片安裝方式的選取

隨著負載電流的增大，產品結構已經不太適合做成彎插印制板形式，輸出端設計成直接線腳焊線形式也是一種大功率固體繼電器的典型結構，如圖7所示。對于這種安裝方式的產品來說，在實際使用安裝時，一般會將繼電器直接固定在一塊金屬板或金屬殼體上，此時如將芯片貼頂部安裝，雖然對對流比較有利，但會非常不利于傳導的方式。在這種情況下，一般還是適宜將芯片貼底部安裝。

4.2 殼體設計

殼體是大功率固體繼電器與外界環境接觸的介質，因此，殼體設計因素，必定會對產品的散熱產生直接影響。通常，在管殼設計方面，我們首先應遵循以下幾個原則。

4.2.1 增大產品的表面積

物體向外傳遞熱量的能力與其表面積成正比。以表1為例，一個邊長為10mm的正方體，其體積為1000mm3，其表面積為600mm2，將該外殼的長度邊長50mm，厚度改為2mm，在體積不變的情況下，其表面積增大到了1240mm2，增大了106%，其向外傳遞熱量的能力也將隨之增大，這也就是為什么大部分情況將固體繼電器設計成扁平狀的原因。

而提高其向外傳遞熱量的能力。我們以一個長度為25mm、寬度為15mm、高度為10.5mm的外殼來建模驗證，驗證結果見圖8、圖9。

從圖8和圖9可以看出，在殼體外形尺寸不變的情況下，我們僅在殼體表面開了一些槽，其表面積就從原有的1590mm2增大到了2262mm2，表面積提高了約42%。

4.2.2 殼體材料的選擇

為了便于產品內部熱量的散發，殼體材料應盡量選取導熱系數較高的材料，比如銅材等。常用金屬材料導熱系數見表2。

5 結論

本文主要從電氣設計、結構設計兩個方面對大功率固體繼電器設計進行了簡單的分析。在實際的產品設計中，大功率固體繼電器需要考慮的因素還有很多，比如用戶的實際需求，穩態負載和瞬態負載、產品周圍的散熱條件等，隨著固體繼電器技術的不斷發展，人們對大功率固體繼電器設計的認知會越來越深入，設計技術也一定會越來越成熟。

參考文獻

[1] 固體繼電器結構的熱應力分析及其優化設計[J].常國梅.河北工業大學碩士論文.

[2] 固體繼電器熱設計探討[J].黃迎輝.徐奎.Electromechanical Components.

（作者單位：貴州航天電器股份有限公司）