大功率固體繼電器設(shè)計分析

李坤 李強 蹇蘭

摘要：從電氣設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面對大功率固體繼電器的設(shè)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(shè)計分析中，分別從MOS管的選用設(shè)計，驅(qū)動電路設(shè)計兩個方面進行論述;結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對于不同結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)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(shè)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(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：固體繼電器;大功率

1 引言

接觸器是傳統(tǒng)的、也是目前常見的大功率繼電器，但接觸器在切換高壓負(fù)載時，很容易產(chǎn)生拉弧，而且電壓越高，拉弧就越嚴(yán)重，負(fù)載壽命次數(shù)也會越少;同時由于接觸器為機械觸點，其抗環(huán)境機械應(yīng)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(fā)展的一個重要分支，高壓大功率固體繼電器相對與傳統(tǒng)的接觸器，具有負(fù)載體積比高、壽命長、環(huán)境機械應(yīng)力適應(yīng)性強等特點，越來越受到市場的關(guān)注。高壓大功率固體繼電器在歐美等發(fā)達國家的地面裝備、航空航天等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但我國在這方面與國外先進技術(shù)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(shè)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(shè)計而言，必須要做到“節(jié)源開流”，就是要盡可能降低產(chǎn)品的發(fā)熱源的發(fā)熱功率，降低發(fā)熱量，而熱量的產(chǎn)生通常包括了靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗;其次是要盡可能的降低芯片與外殼的熱阻，讓產(chǎn)生的熱量盡可能的散發(fā)出去，不至于因為產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)熱量的累積導(dǎo)致內(nèi)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(shè)計和高壓大功率固體繼電器結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面進行分析。

3 電氣設(shè)計

大功率固體繼電器的設(shè)計是在繼承普通固體繼電器電氣設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，加上高壓、

大功率固體繼電器研發(fā)所特殊的要求而進行的電氣系統(tǒng)設(shè)計，其在輸出端功率開關(guān)管

選用設(shè)計、驅(qū)動電路的設(shè)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(guān)管來進行闡述。

3.1 MOS管的選用設(shè)計

靜態(tài)功耗是固體繼電器處于穩(wěn)定接通狀態(tài)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(fù)載電流較小的固體繼電器對MOS管的導(dǎo)通電阻要求并不是很苛刻，如2A負(fù)載電流，導(dǎo)通電阻增加10mΩ，其靜態(tài)功耗只增加0.04W，對產(chǎn)品的溫升幾乎不產(chǎn)生影響;但對于大功率固體繼電器，特別是負(fù)載電流很大時，MOS管的導(dǎo)通電阻每增加1mΩ，都會大大增加輸出端的靜態(tài)功耗，如當(dāng)負(fù)載電流為50A時，MOS管的導(dǎo)通電阻每增加1mΩ，其靜態(tài)功耗就會增加2.5W，產(chǎn)生的熱量將會迅速增加。

受半導(dǎo)體器件工藝水平的限制，短期內(nèi)，MOS管的導(dǎo)通電阻沒有辦法實現(xiàn)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(shè)計時，通常一顆MOS管無法滿足單路大負(fù)載電流的需求，此時必須通過多個MOS管并聯(lián)的方式來降低輸出接通電阻，以兩個MOS管并聯(lián)為例，如圖1所示。

MOS管并聯(lián)時，由于其結(jié)電容的存在，如果公用同一個驅(qū)動源時，很容易產(chǎn)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(lián)一個電阻，如圖1所示。MOS管并聯(lián)，目的是降低導(dǎo)通電阻，而非提高負(fù)載電流的承受能力，必須要保證單個MOS管的負(fù)載電流大于額定負(fù)載電流，瞬間過負(fù)載能力大于產(chǎn)品規(guī)定的過負(fù)載能力。通常情況下，MOS管必須進行負(fù)載電壓和負(fù)載電流兩個方面降額，其中負(fù)載電壓的降額因子應(yīng)至少達到0.5，負(fù)載電流的降額因子應(yīng)至少達到0.3。

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計

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

我們假設(shè)產(chǎn)品負(fù)載電壓為270V，回路電流為50A，采用光伏隔離方式電路，對其導(dǎo)通過程進行電氣仿真，仿真電路和結(jié)果見圖2。

由圖3可知，MOS管的導(dǎo)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(xù)了大約560μs（0.56ms）。假設(shè)在觸點斷開過程中的中間時刻，開關(guān)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(dǎo)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(zhǔn)確計算其導(dǎo)通過程所產(chǎn)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(dǎo)通過程分成若干份（根據(jù)軟件計算結(jié)果，將網(wǎng)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(dǎo)通過程瞬時功率及發(fā)熱量，最后進行求和，為了計算方便，我們假設(shè)其關(guān)斷過程為線性的，最后，計算出在導(dǎo)通過程中，MOS管的發(fā)熱量為1.26焦耳。因整個導(dǎo)通過程時間極短，為了計算方便，我們忽略了傳導(dǎo)、對流以及輻射的熱量損失。根據(jù)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(zhì)量，ρ為芯片材料硅的比熱，經(jīng)查，硅的比熱為700J/（Kg.℃），經(jīng)實際測量，芯片質(zhì)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(dǎo)體芯片所不能承受的。這也是導(dǎo)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(shè)計的核心就是如何降低MOS管的開啟和關(guān)斷時間，最大限度的降低其開關(guān)過程動態(tài)功耗。

鑒于變壓器隔離型的驅(qū)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?qū)a(chǎn)品的接通時間縮短至幾十個μs，驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于大功率固體繼電器，除了在電路設(shè)計上要充分降低產(chǎn)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(guān)損耗外，還必須對其管殼設(shè)計、芯片布局設(shè)計以及陶瓷基板設(shè)計等方面進行研究，充分降低從芯片到管殼的熱阻，將產(chǎn)品內(nèi)部的發(fā)熱量盡快、盡可能散

發(fā)出去，避免由于內(nèi)部熱量過度累積、溫度上升過高而導(dǎo)致內(nèi)部芯片燒毀。

4.1 整體機構(gòu)設(shè)計

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是考慮發(fā)熱芯片的安裝位置和安裝工藝問題。在進行具體的產(chǎn)品設(shè)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(jù)具體產(chǎn)品情況進行分析，找出最有利于散熱的安裝方法。

發(fā)熱元件熱量的傳遞主要有傳導(dǎo)、對流和輻射三種方式，在不同情況下，起主要導(dǎo)熱的途徑可能不太相同。比如，當(dāng)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(jù)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(fā)熱量的主要方式，在此不作過多考慮;因此，傳導(dǎo)和對流就成了固體繼電器的主要熱傳遞方式。根據(jù)產(chǎn)品實際安裝方式的不同，傳導(dǎo)和對流在其對外熱傳遞中的比例也會發(fā)生變化;具體來說，就是有的安裝方式傳導(dǎo)占熱量散發(fā)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，由圖可以看出，兩個產(chǎn)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(chǎn)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(huán)氧玻璃布層壓板的導(dǎo)熱性能是很差的，這種安裝方式下，傳導(dǎo)對產(chǎn)品熱量的散發(fā)貢獻并不大，而對流在其中占了主要部分。

根據(jù)熱設(shè)計資料顯示，這兩種結(jié)構(gòu)在自然對流換熱的通用準(zhǔn)則方程式中的系數(shù)C具有很大差別，詳細情況見圖6。

由圖6可以看出，當(dāng)水平板熱面朝下是，其散熱系數(shù)僅為0.27，而其散熱面朝上時，其散熱系數(shù)為0.54。由此可見，這種安裝方式的產(chǎn)品，應(yīng)該優(yōu)先選擇圖5所示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這樣才更有利于產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生熱量的散發(fā)。

4.1.2 直接線腳焊線式產(chǎn)品芯片安裝方式的選取

隨著負(fù)載電流的增大，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)已經(jīng)不太適合做成彎插印制板形式，輸出端設(shè)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(jié)構(gòu)，如圖7所示。對于這種安裝方式的產(chǎn)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(dǎo)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(shè)計

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

4.2.1 增大產(chǎn)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(shè)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(jié)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(chǎn)品內(nèi)部熱量的散發(fā)，殼體材料應(yīng)盡量選取導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，比如銅材等。常用金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)見表2。

5 結(jié)論

本文主要從電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面對大功率固體繼電器設(shè)計進行了簡單的分析。在實際的產(chǎn)品設(shè)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(wěn)態(tài)負(fù)載和瞬態(tài)負(fù)載、產(chǎn)品周圍的散熱條件等，隨著固體繼電器技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對大功率固體繼電器設(shè)計的認(rèn)知會越來越深入，設(shè)計技術(shù)也一定會越來越成熟。

參考文獻

[1] 固體繼電器結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析及其優(yōu)化設(shè)計[J].常國梅.河北工業(yè)大學(xué)碩士論文.

[2] 固體繼電器熱設(shè)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）