1 引言
隨著國Ⅲ柴油汽車的發(fā)展和在我國的大力推行， 國Ⅲ柴油汽車占國產(chǎn)柴油汽車的比重越來越大。國Ⅲ柴油汽車比國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)以下的柴油汽車在電氣系統(tǒng)的智能控制方面更加全面，更加細(xì)化，采用ECU （中央控制單元） 作為整車所有電氣產(chǎn)品的控制核心，使得整車電氣系統(tǒng)的智能化、集成度越來越高。隨著ECU 在柴油汽車上的使用越來越多，原先通過鑰匙開關(guān)或者繼電器控制的負(fù)載在國Ⅲ柴油汽車上都由ECU 直接控制。但是， 由于ECU 的帶負(fù)載能力比起鑰匙開關(guān)或者繼電器的帶負(fù)載能力小的多，因此，控制起動系統(tǒng)中的起動繼電器其線圈電流大都在2A 左右，工作較頻繁，并且在工作時可能會產(chǎn)生電磁脈沖干擾， 這些都有可能會損壞ECU.
目前， 國內(nèi)使用的國Ⅲ柴油汽車控制核心的ECU 往往并沒有設(shè)置對起動機系統(tǒng)的保護措施，對起動機的單次起動時間并沒有加以限制， 因此往往會造成由于單次起動時間過長， 起動機產(chǎn)生的熱量過大而損壞絕緣層而燒毀定轉(zhuǎn)子， 最終導(dǎo)致起動機的損壞。
針對國Ⅲ柴油汽車在快速發(fā)展過程中遇到的上述兩方面的問題， 我公司設(shè)計開發(fā)了JGD24 -5 型固體式限時保護繼電器（以下簡稱限時保護繼電器）， 如圖1 所示。該限時保護繼電器采用電子式設(shè)計， 帶有單次起動最長時間限制， 當(dāng)輸入端加電超過一定時間（30s） 時， 限時保護電路自動斷電， 切斷限時保護繼電器的輸出端， 達到保護起動機的目的。這種限時保護繼電器結(jié)構(gòu)簡單， 輸入端與輸出端都采用雙線制， 接線方便， 直接接在起動機上即可， 安裝方便， 經(jīng)過試用， 極大的降低了起動機的故障率。
2 主要參數(shù)、功能
2.1 主要參數(shù)
額定電壓： 24Vdc;
輸入電流： ≤300mA;
接通電壓： ≤18Vdc;
關(guān)斷電壓： ≥1Vdc;
額定輸出電流： 5Adc;
限時斷電時間： 30s;
延時時間： ≤200ms;
關(guān)斷時間： ≤10ms;
輸出電壓降： ≤0.5Vdc;
輸出漏電流： ≤10μA;
工作溫度： -40℃ ~100℃；
貯存溫度： -40℃ ~100℃；
介質(zhì)耐電壓： ≥660Vac;
絕緣電阻： ≥100MΩ；
封裝形式： 灌封式。
2.2 功能
2.2.1 限時保護繼電器開關(guān)功能
限時保護繼電器輸入端加電后， 輸出端接通；輸入端斷電后， 輸出端關(guān)斷， 并且輸入電流小， 輸出端接通和關(guān)斷時無火花， 動作速度快， 不產(chǎn)生電磁干擾， 能夠很好的與ECU 匹配使用， 實現(xiàn)開關(guān)功能。
2.2.2 限時保護功能
限時保護繼電器輸入端加電后， 輸出端接通，開始工作， 當(dāng)輸入端單次加電超過一定時間時（30s）， 限時保護電路自動切斷輸出端， 避免起動機單次過長時間起動， 起動機因過熱損壞絕緣層而燒毀定轉(zhuǎn)子， 進而損壞起動機。
2.2.3 限時保護繼電器串聯(lián)輸出保護
限時保護繼電器輸出端采用固體式繼電器輸出端與電磁式繼電器輸出端串聯(lián)的方式實現(xiàn)。這種輸出端串聯(lián)的方式在限時保護繼電器不工作時， 電磁繼電器輸出端斷開， 固體式繼電器因輸出端處于斷電狀態(tài)而不會受到整車電磁干擾的影響， 極大地降低了損壞的概率； 限時保護繼電器工作時， 輸入端加電， 電磁式繼電器輸出端先閉合， 而固體式繼電器輸出端后閉合； 輸入端斷電時， 固體式繼電器輸出端先斷開， 而電磁式繼電器輸出端后斷開。這種通斷控制方式可以徹底避免電磁式繼電器輸出端帶電切換， 避免電弧的產(chǎn)生， 極大地延長了電磁式繼電器的通斷壽命。通過輸出端串聯(lián)的方式實現(xiàn)了同時保護電磁式繼電器與固體式繼電器的目的。
3 總體電路設(shè)計
限時保護繼電器主要由輸入電路、延時濾波電路、限時保護電路、隔離電路、驅(qū)動電路和串聯(lián)輸出電路六大部分組成， 原理框圖見圖2.其主要工作原理為： 當(dāng)輸入控制電壓加到輸入端時， 經(jīng)過延時電路， 再通過振蕩電路和變壓器隔離電路將信號傳輸?shù)津?qū)動電路， 由驅(qū)動電路控制輸出電路的功率管導(dǎo)通， 然后電磁式繼電器輸出端導(dǎo)通， 從而使限時保護繼電器接通； 當(dāng)輸入信號去除時， 驅(qū)動電路關(guān)斷輸出電路的功率管， 然后使電磁式繼電器輸出端關(guān)斷， 從而使限時保護繼電器關(guān)斷； 當(dāng)輸入端加電時間超過一定值（30s） 時， 限時保護繼電器自動斷開輸出端。
限時保護繼電器與起動機系統(tǒng)的外圍接線圖如圖3 所示。
3.1 輸入電路的設(shè)計
輸入電路的原理圖如圖4 所示。R1 為下拉電阻， 將限時保護繼電器輸入端的高阻態(tài)轉(zhuǎn)化為低阻態(tài)， 實現(xiàn)ECU 對負(fù)載端的低阻態(tài)要求； V6 為反向保護二極管， 當(dāng)輸入端出現(xiàn)反向電壓時， 通過二極管的單向?qū)щ娦裕?V6 將反向電壓隔斷， 避免反向電壓對后端電路造成影響； V1 為5V 穩(wěn)壓管， 輸入電壓通過穩(wěn)壓管降壓后， 加在限流電阻R2 上，給后級電路提供恒流供電， 驅(qū)動限時保護繼電器工作。
其電流IR2的計算如下（按額定電壓計算）：
下拉電阻R1 的電流值IR1的計算如下：
輸入電流I輸入的電流值為：
3.2 延時濾波電路的設(shè)計
限時保護繼電器使用在汽車發(fā)動機上， 其使用條件比較惡劣， 發(fā)動機工作時會產(chǎn)生大量的干擾電壓， 干擾電壓加到限時保護繼電器的輸入端可能會造成限時保護繼電器的誤動作。因此， 在限時保護繼電器的輸入電路之后， 設(shè)計一個延時濾波電路，延時濾波電路的原理圖如圖5 所示。當(dāng)干擾電壓小于一定值時（200ms， 干擾電壓的持續(xù)時間較短，在1μs 左右）， 限時保護繼電器不工作， 只有輸入端持續(xù)供電超過200ms， 才認(rèn)為是輸入端正常供電， 限時保護繼電器正常工作。
延時濾波電路的具體工作原理是： 當(dāng)輸入端添加一個上升沿電壓信號時， 電流經(jīng)過R6、R7 給電容C 充電。當(dāng)電容C 充電到一定的門限值V 限時，反向器的“10” 引腳輸出高電平， 限時保護繼電器開始工作。充電時間（即延時時間） 由下式計算：
當(dāng)反相器的“13” 引腳電壓充電到3.8V 時，反相器開始工作， 其中V5 為5V 穩(wěn)壓管。
因此， V （t） 為3.8V， E 為5V， 代入上式：
3.3 限時保護電路的設(shè)計
為了避免起動機單次過長時間起動， 起動機因過熱損壞絕緣層而燒毀定轉(zhuǎn)子， 進而損壞起動機，在限時保護繼電器的輸入端設(shè)計出限時保護電路（如圖6 所示）。輸入端加電， 由于電容器C1 兩端的電壓不能夠突變， 因此， 反相器的“1” 引腳為高電平， 通過兩級反向門， 反相器的“4” 腳為高電平， 三極管V7 接通， 限時保護繼電器開始工作。此時， 通過C1、R5 回路給電容C1 充電， 當(dāng)反相器“1” 腳電壓低于3.8V 時（即電容C1 兩端的電壓為1.2V）， 反相器的“4” 腳輸出低電平信號， 此時三極管V7 關(guān)斷， 限時保護器停止工作。
其中， 充電時間的計算公式如下：
3.4 隔離電路的設(shè)計
限時保護繼電器的輸入端控制電流很低， 而輸出電流很大， 所以， 它們之間必須進行電隔離， 其隔離電路的原理圖如圖7 所示。本電路中采用振蕩電路的變壓器耦合隔離。變壓器耦合隔離主要由高頻振蕩電路、變壓器耦合電路和整流電路組成。高頻振蕩電路采用雙端推挽自激振蕩輸出， 它比單端輸出更能提高輸入能量的轉(zhuǎn)換效率。提高振蕩頻率， 使其達到50kHz ~200kHz， 實現(xiàn)快速響應(yīng)。
隔離變壓器磁芯是本電路的關(guān)鍵器件， 直接關(guān)系到電路的特性和轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)材料特性與本電路的特點， 并通過反復(fù)試驗， 采用Mn-Zn 高磁導(dǎo)率鐵氧體材料作為隔離變壓器磁芯。在選擇鐵氧體材料時要考慮如下幾個方面：
⑴ 磁導(dǎo)率和飽和磁通密度要高， 可減少線圈匝數(shù)， 減小內(nèi)阻， 減小磁環(huán)體積；
?、?矯頑力要小， 減小磁滯損失；
?、?電阻率要高， 減小渦流損耗；
?、?合理選擇居里溫度， 提高磁環(huán)的綜合性能。
隔離電路設(shè)計的另一個關(guān)鍵是振蕩電路的設(shè)計， 在本電路中振蕩電路如圖6 所示。在隔離的輸入與輸出確定后， 通過下列方式對振蕩電路進行優(yōu)化設(shè)計。
?、?調(diào)整RC 值， 改變振蕩頻率， 測試輸出參數(shù)， 并計算耦合效率η， 直至η最大；
?、?調(diào)整變壓器線圈匝數(shù)， 測試輸出參數(shù)， 并計算耦合效率直至最大。
同個隔離電路耦合后的電流信號為交流信號，經(jīng)過整流橋電路D1、D2 整流后， 為驅(qū)動電路提供工作電流。
3.5 驅(qū)動電路的設(shè)計
驅(qū)動電路直接給輸出電路供電， 輸出電路的功率場效應(yīng)管必須由恒壓源驅(qū)動。因此， 選擇高精度限流電阻提供功率管工作所需要的工作電流。工作電流經(jīng)過R13、V11 形成回路， V11 為15V 穩(wěn)壓管， 確保提供給輸出電路的場效應(yīng)管驅(qū)動電壓為15V 恒壓源。R14、C5 形成一個放電回路， 當(dāng)限時保護繼電器不工作時， 由于輸出端功率場效應(yīng)管的電容效應(yīng)， 會在功率場效應(yīng)管的G 端積累電荷，會影響到功率場效應(yīng)管的壽命， 通過R14、C5 形成的回路可以釋放掉功率器件積累的電荷， 保護功率器件， 見圖8 所示。
3.6 串聯(lián)輸出電路的設(shè)計
輸出電路包括功率場效應(yīng)管、串聯(lián)保護回路和吸收電路。
?、?功率場效應(yīng)管的選擇
功率場效應(yīng)管是限時保護繼電器的核心部件，選擇合適的功率場效應(yīng)管是設(shè)計成功的關(guān)鍵。本產(chǎn)品中的功率器件可選用的類型主要有功率場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、雙極晶體管和達林頓晶體管。MOSFET 耐壓高， 輸出電流大， 漏電流小， 導(dǎo)通管壓降低， 驅(qū)動功率小， 體積小， 故作為限時保護繼電器的功率器件比較合理。
根據(jù)限時保護繼電器的應(yīng)用特點， 應(yīng)選用低電壓降型的MOSFET.功率器件的類型確定以后， 具體型號的選擇可根據(jù)額定輸出電壓、額定輸出電流、輸出電壓降、體積及市場情況， 遵循以下原則：
以24V 5A 限時保護繼電器為例， 功率器件選用耐壓250V、電流46A 的MOSFET.
⑵ 串聯(lián)保護回路的設(shè)計
根據(jù)圖9 的電路原理圖所示， 通過電磁繼電器K 與功率場效應(yīng)管Q1 串聯(lián)， 當(dāng)限時保護繼電器不工作時， 電磁繼電器K 的觸點斷開， 功率場效應(yīng)管的兩端無電壓。因此， 發(fā)動機系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾不會對功率場效應(yīng)管Q1 產(chǎn)生影響； 當(dāng)限時保護繼電器加電工作時， 電磁繼電器的吸合時間為10ms， 而功率場效應(yīng)管的吸合時間為延時濾波時間200ms， 因此， 吸合時電磁繼電器K 在不帶電的情況下先吸合； 當(dāng)限時保護繼電器斷電時， 由于功率場效應(yīng)管的關(guān)斷時間快， 為2.5ms， 因此， 關(guān)斷時電磁繼電器K 在不帶電的情況下后關(guān)斷， 通過此電路設(shè)計， 可確保電磁繼電器不會出現(xiàn)帶電切換的情況， 即不會出現(xiàn)電弧情況， 可確保電磁繼電器K 穩(wěn)定工作。
?、?吸收電路
限時保護繼電器在關(guān)斷時產(chǎn)生的干擾電壓峰值較高， 因此， 在輸出電路中增加吸收電路對功率場效應(yīng)管Q1 進行保護， 本電路中采用VRC 吸收電路。其中， V12 為快恢復(fù)二極， 管R15 為功率電阻， C6 為高頻無感電容。Q1 導(dǎo)通時， V12 反偏，C6 通過R15 放電， R 消耗能量并限制放電電流；Q1 關(guān)斷時， C6 通過V12 吸收干擾電壓， 使Q1 的尖峰電壓不會過高。
Q1 在關(guān)斷時產(chǎn)生的干擾電壓較高， 可由下式進行計算：
式中， Vcep為集-射極間的尖峰電壓， 單位為V; Vcc為負(fù)載電源電壓， 單位為V; L 為主電路和引線電路電感之和， 單位為H; di/dt 為MOSFET集電極電流變化速率， 單位為A/s.
由此可見， 在大電流、關(guān)斷速度很快時， 尖峰更大。因此， 在輸出電路中增加吸收電路對MOSFET進行保護。VRC 吸收電路中R、C 由下式進行計算：
4 結(jié)束語
本文介紹了固體式限時保護繼電器的電路設(shè)計， 并詳細(xì)介紹了輸入電路設(shè)計、延時濾波電路設(shè)計、限時保護電路設(shè)計、隔離電路設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計、串聯(lián)輸出電路設(shè)計， 并經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)， 研制出JGD24 -5 型固體式限時保護繼電器。經(jīng)試驗驗證， 其各項技術(shù)指標(biāo)均達到了該方案的設(shè)計要求。