提高继电器触点抗浪涌能力的一种新颖旁路保护电路

摘要：在航天器用电设备中，多数器件由DC—DC模块供电，部分由一次电源直接供电，DC—DC模块作为用电负载也由一次电源供电，在DC—DC模块及星载用电设备突然加电时，有可能产生较大的启动电流，浪涌电流可达到上百安培，若不进行有效控制，有可能对供电链路中配电设备的继电器触点造成损伤，甚至导致继电器触点粘连。文中从系统实际应用的角度出发，阐述了提高继电器触点抗浪涌能力的一种新颖保护电路，能够确保规避继电器触点受到浪涌电流的冲击，满足继电器用于航天产品中高可靠性的要求。
关键词：浪涌电流；继电器；保护

1 术语及定义
浪涌电流：用电设备在启动瞬间产生的大电流；
旁路电路：旁路用电设备在启动瞬间产生大电流的电路；
ESL：电容器的等效串联电感；
ESR：电容器等效串联电阻。

2 浪涌电流产生的原因
通常情况下，在设备加电时，电容器是产生浪涌电流的主要原因，原理示意图见图1。

上图中K1闭合后，电容器C开始充电，若将直流电源、开关K1以及连接的导线看作理想状态(直流电源可提供足够大的电流且内阻为零，K1接触电阻为零，导线线阻为零)，在电容器充电瞬间，产生的浪涌电流可根据公式1进行近似计算。
    
    式中：I——浪涌电流
U——直流电源输出电压
ESR——电容器等效串联电阻
虽然电容电器ESL对输入浪涌电流有一定的抑制作用，但电感量较小，抑制作用也较小，可忽略。通常电容器ESR均比较小，例如，在100kHz下测量，液体钽电容器的ESR一般为几百毫欧，聚脂电容的ESR一般为几十毫欧，而陶瓷电容的FSR一般为几毫欧。所以在电容器加电瞬间，会产生较大的浪涌电流。
以上是针对电容器在加电瞬间产生的浪涌电流所进行的分析，若其它设备或元器件在加电瞬间与电容器具有类似特性，则同样会产生较大的浪涌电流，如蓄电池在充电状念下也会产生上百安培的浪涌电流。

3 旁路保护电路分析
浪涌旁路保护电路原理图见图2。

图中：R1、R2、R3、R4、R5为电阻器；
C1、C2为钽电容器；
G1为光耦器件；
VT1为P沟道MOSFET；
K1为继电器触点。
工作原理如下：
在驱动信号接通后，线圈加电，继电器的吸合为机械动作过程，接通时间为5～15ms。
浪涌旁路保护电路与继电器线圈同步接收驱动信号，G1导通前，VT1栅极电压与功率线输入正端电压U1相等，VT1为截止状态。
G1导通后，功率线输入正端电压U1经R2、R3为电容C1充电，C1在充电开始阶段，VT1栅极电压通过公式1计算，忽略光藕器件的导通时间，此时VT1为导通状态。
随C1电压不断上升，VT1栅极电压逐渐升高，当C1充电完成后，VT1栅极电压与功率线输入正端电压U1相等，VT1为截止状态，VT1管导通时间取决于R2、R3及C1参数与VT1管栅极阈值电压，忽略光耦器件的导通时间(通常小于1μs)，导通时间通过公式(2)计算。
    
    式中：UGS(TH)为VT1管开启电压；
C为电容器C1容值；
U1功率线输入正端电压；
t为VT1为导通时间。
通常，继电器驱动信号为脉冲信号，高电平持续时间t1为80ms，在脉冲信号为高电平时，忽略光藕器件的导通时间，VT1立即为导通状态；在脉冲信号为低电平时，忽略光藕器件的截止时间，VT1立即为截止状态。
根据以上分析，得到以下结果：
(1)在脉冲信号为高电平时，VT1立即导通；
(2)若通过公式(2)中计算出t小于驱动信号高电平持续时间t1，则VT1导通时间可通过公式2计算出。
(3)若通过公式(2)中计算出t大于驱动信号高电平持续时间t1，则VT1导通时间等于驱动信号高电平持续时间t1。

4 仿真验证
利用SABER软件，得到R5处电路仿真结果见图3。

通过仿真，可以看出，MOSFET管导通时间为80ms左右。
 

5 实验验证
实验边界条件如下：
(1)取R2=15kΩ，R3=15kΩ，C1=4．7μF、C2=10μF、R5=2．7Ω；
(2)P沟道MOSFET型号为IRF5210；
(3)继电器采用3JB20-3型继电器，单触点额定电流为15A，触点动作时间为6．4ms，线圈额定电压为28V；
(4)设定功率线输入正端电压U1=28V，未采用浪涌旁路保护电路时，流过继电器触点K1的电流波形见图4。

实际测试结果如下：
(1)脉冲驱动信号高电平为28V，持续时间为80ms；
(2)流过继电器触点K1的额定电流值为10A，浪涌电流值最大为49．4A，幅值已超过了继电器触点的额定电流值，持续时间为4．8ms。
采用浪涌旁路保护电路后，流过继电器触点K1的电流波形见图5。

实际测试结果如下：
(1)脉冲驱动信号高电平为28V，持续时间为80ms；
(2)脉冲信号高电平建立6．4ms后继电器触点接通，流过继电器触点K1的电流值为3．6A，80ms驱动信号为低电平，Q1截止，电流全部流过继电器触点，电流值为10A。
根据以上测试结果，浪涌旁路保护电路满足设计要求，在功率线输入正端电压U1接通瞬间，由于电容器产生的浪涌电流被浪涌旁路保护电路旁路(浪涌电流持续时间为4．8ms)，在继电器触点接通(脉冲信号高电平建立后6．4ms)前，回路中电流值已恢复到额定电流值，能够确保继电器触点安全。

6 结束语
通过分析及对比实验，浪涌旁路保护电路能够确保规避继电器触点受到浪涌电流的冲击，满足继电器用于航天产品中高可靠性的要求，是一种提高继电器触点抗浪涌能力的一种新颖保护电路，该电路已应用于某卫星型号地面设备，取得了良好效果。