一種低損耗繼電器控制電路

張海明，李新宇

（1.合肥同智機電控制技術有限公司 電源研究部，合肥 230088；2.合肥工業大學 機械設計工程系，合肥 230009）

0 引言

繼電器是一種非常經濟、應用廣泛的控制電流通斷的電控制器件，是一種在電氣輸出電路中，當輸入量的變化達到規定要求時，使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統與被控系統之間的互動關系，正是因為有這種關系，它被廣泛應用于電子電路中。用小電流控制大電流，被稱為“自動開關”，可以說繼電器是電器設備中的關鍵元器件。

在逆變器中，繼電器被廣泛使用于直流關斷、交流關斷等功能電路中，是電力電器設備的核心器件之一，特別是在三相交流逆變器中，繼電器有6 ～8 個，數量多，是極其重要的元器件之一。繼電器的使用壽命是影響逆變器可靠性的關鍵指標，因此無數工程師在繼電器的選型時會綜合考慮影響繼電器壽命的各項因素。

影響繼電器壽命的因素中，溫度因素是主要因素之一。繼電器的過熱不僅影響繼電器本身的特性參數，還會影響繼電器的使用壽命。引起繼電器過熱的原因有多種，包括觸點阻抗過高、環境溫度過高等。其中，主要原因是繼電器自身的線圈損耗，線圈損耗是繼電器的主要熱源之一。

表1 泰科繼電器T9SV1K15電氣技術參數Table 1 Electrical technical parameters of T9SV1K15 Tyco relay

圖1 常規繼電器控制電路圖Fig.1 Normally control circuit of relays

1 繼電器的工作原理和控制電路

繼電器主要由線圈和觸點構成，只要在線圈兩端加上規定動作電壓以上的電壓，線圈就會吸合。當線圈斷開后，在自身彈簧作用下，觸點就會彈開。繼電器在吸合后，如果線圈電壓維持在動作電壓以上，那么線圈電壓就會產生一定的損耗，該損耗引發的過熱問題十分普遍。通常繼電器的驅動控制信號來自于控制芯片，因此會有一個控制光耦，控制光耦經過開關管控制繼電器的導通和關斷。本文以泰科繼電器T9SV1K15 為例，其控制電壓為12Vdc，相關參數如表1 所示。

該繼電器控制的額定電壓為12Vdc，常規的應用中，DSP 控制信號經過光耦控制開關管的關斷與導通，實現繼電器的通斷控制，具體電路如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，當繼電器處于閉合狀態，繞線電壓為12V，繞線電阻為64Ω，繞線消耗的功率為：122/64=2.25W，功耗較大，而繼電器體積又小，導致繼電器發熱很嚴重。在中功率三相逆變器中，繼電器的數量至少有6 個，這就導致僅繼電器損耗至少有13.5W，嚴重影響了逆變器的整機效率。

針對繼電器的線圈過熱問題，很多行業人士均提出了很多解決方案，如磁保持繼電器驅動電路的設計[1]，但過于復雜，成本過高，可靠性和電磁兼容性均未驗證。因此，存在一定的不足。

圖2 新繼電器控制電路圖Fig.2 The new control circuit for relays

本文提供一種新型的控制電路，該新型控制電路具有以下優點：

1）有效降低繼電器正常工作的溫升，解決繼電器過熱問題，延長該繼電器的使用壽命。

2）可以大幅度降低繼電器的線圈損耗，提高逆變器的效率，優化開關電源的功耗，提升整機性能。

3）控制電路具有一定的通用性，可以應用到其他具有類似特性繼電器的所有電器設備中。

2 新控制電路的硬件結構

由于繼電器的動作電壓為9V，保持電壓4.7V ～6V，因而在繼電器吸合的瞬間需要給繼電器線圈繞組加持一個9V 以上的電壓，待繼電器吸合之后，再將繼電器的線圈電壓維持在6V 即可以使繼電器可靠工作。

本文所述新的控制電路在原有控制電路的基礎上，增加了延時電路和分壓電路。繼電器在吸合動作過程中，線圈電壓始終維持在繼電器動作電壓9Vdc 以上，繼電器吸合后，通過延時電路和分壓電路，繼電器降到保持電壓。具體硬件結構如圖2 所示。

圖2 中的分壓電路為一個電阻，是分壓電路的一種典型形式，阻值選擇與線圈繞組阻值相匹配的值，如本文中的繼電器T9SV1K15 線圈繞組為64Ω，則本分壓電阻選擇64Ω 或者根據保持電壓選擇附近的典型電阻值68Ω。

圖2 中的延時電路由電阻、電容和PNP 型三極管組成，為延時電路的一種典型形式。當控制信號發開通指令后，開關管1 導通，電容C1 未充滿電，導致PNP 型晶體管b 極低電壓。此時晶體管導通，12V 直接加在了繼電器線圈上，使繼電器的線圈電壓大于動作電壓，繼電器吸合。開關管1 導通的同時，C1 通過R1 開始充電，當C1 充滿電后，晶體管關斷，此時，繼電器的電壓通過分壓電路，線圈兩端的電壓降低，繼電器保持在吸合狀態。此時，繼電器的功耗為：6.42/64=0.64W。相比傳統驅動電路的2.25W 損耗，繼電器線圈繞組上的功耗得到了降低，理論溫度下降。

圖3 繼電器吸合過程中的仿真圖和仿真波形Fig.3 The simulation diagram and waveform of the relay connect process

圖4 實際電路圖Fig.4 The actual circuit diagram

圖5 繼電器線圈吸合瞬間兩端電壓波形圖Fig.5 Voltage waveform of relay coil at the moment of suction

圖6 常規繼電器控制電路表面溫度Fig.6 Surface temperature of normal relay control circuit

3 仿真模擬和器件選型

Ltspice 是一種功能強大的模擬電路和數字電路混合仿真軟件，它可以進行各種各樣的電路仿真并給出波形輸出和數據輸出，無論對哪種器件和哪種電路進行仿真，均可以得到精確的仿真結果。

本文利用LtSPICE 軟件對控制電路進行建模，根據繼電器的動作時間為10ms ～20ms，為了可靠關斷，仿真結果要求動作電壓9V 以上的時間要求維持在30ms 以上。據此，對參數進行了仿真，最終確定電阻可以選擇33kΩ，電容選擇22uf，根據LtSPICE 軟件建模和仿真結果，繼電器吸合前1s 的電壓波形如圖3 所示。

4 電路的搭建與結果測試

根據仿真結果選擇元器件，通過對實際電路的搭建并應用于三相逆變器輸出部分的電路中。三相逆變器輸出電路部分，由于單點故障的原因，需要6 個繼電器，電路板上的繼電器以及繼電器的控制電路如圖4 所示。

電路板搭建完成后，對繼電器線圈兩端的電壓波形進行了測試，測出在繼電器開啟瞬間繞線兩端的電壓波形如圖5 所示。

從實際電路的測試結果可以看出，繼電器的吸合時間有31ms，完全滿足可靠吸合的要求，繼電器線圈電壓在1s之后穩定在了繼電器的維持電壓6V；同時，繼電器線圈的電壓曲線與仿真結果的曲線基本一致，測試結果驗證了仿真的正確性。

為了驗證實際效果，電路搭建完成后，在逆變器其他電路不工作的情況下，僅僅吸合繼電器。在常溫20℃的情況下，對繼電器的溫度進行了對比測試，電路改進前后繼電器溫度對比如圖6、圖7 所示。

電路改進前，繼電器的工作溫度，見圖6。

增加分壓電路和延時電路后，繼電器的工作溫度，見圖7。

通過對比可以看出，繼電器的表面溫度得到了明顯改善，使用壽命得到了很好的溫度保證。溫度降低的同時，損耗也相應降低了，對應逆變器和開關電源的系統效率也相應地有所提高，電路在實際應用中起到了很好的效果。

圖7 改進控制電路的繼電器表面溫度Fig.7 Relay surface temperature of improved control circuit

5 結束語

本文提出了一種包含延時電路和分壓電路的繼電器驅動電路，使繼電器的線圈損耗由2.25W 降至0.64W，極大地降低了繼電器由于線圈繞組而產生的損耗，有效地降低了繼電器的溫度，提高了繼電器的使用壽命，繼電器驅動電路經過了ltspice 仿真和實際測試驗證，均證明了電路的可行性和使用效果的有效性。