大功率固体继电器设计分析

李坤 李强 蹇兰

摘要：从电气设计和结构设计两个方面对大功率固体继电器的设计进行了阐述。分析了大功率固体继电器主要的失效因素;在电气设计分析中，分别从MOS管的选用设计，驱动电路设计两个方面进行论述;结构设计中，针对于不同结构形式的产品，确定更合适的MOS管安装方式;从壳体的表面积、材料选用和以及壁厚三个要素对壳体的设计进行了论述;阐述了能够有效减小引线脚电阻的可行性方案。本文为大功率固体继电器提供了设计思路。

关键词：固体继电器;大功率

1 引言

接触器是传统的、也是目前常见的大功率继电器，但接触器在切换高压负载时，很容易产生拉弧，而且电压越高，拉弧就越严重，负载寿命次数也会越少;同时由于接触器为机械触点，其抗环境机械应力的能力较差;而且目前市场上的接触器多为非气密性。作为固体继电器发展的一个重要分支，高压大功率固体继电器相对与传统的接触器，具有负载体积比高、寿命长、环境机械应力适应性强等特点，越来越受到市场的关注。高压大功率固体继电器在欧美等发达国家的地面装备、航空航天等领域都得到了广泛的应用，但我国在这方面与国外先进技术水平还存在一定差距，因此高压大功率固体继电器方面的研究就显得更有意义。

2 设计分析

大功率固体继电器的主要失效模式为过热失效;因此对于大功率固体继电器的设计而言，必须要做到“节源开流”，就是要尽可能降低产品的发热源的发热功率，降低发热量，而热量的产生通常包括了静态功耗和动态功耗;其次是要尽可能的降低芯片与外壳的热阻，让产生的热量尽可能的散发出去，不至于因为产品内部发热量的累积导致内部芯片温升过高而失效。因此本文从高压大功率固体继电器电气设计和高压大功率固体继电器结构设计两个方面进行分析。

3 电气设计

大功率固体继电器的设计是在继承普通固体继电器电气设计技术的基础上，加上高压、

大功率固体继电器研发所特殊的要求而进行的电气系统设计，其在输出端功率开关管

选用设计、驱动电路的设计上都与普通的固体继电器有很大不同，本文以MOS管作为输出端功率开关管来进行阐述。

3.1 MOS管的选用设计

静态功耗是固体继电器处于稳定接通状态时热量的主要来源，它是通过MOS管的电流平方与输出接通电阻的乘积。通常情况下，负载电流较小的固体继电器对MOS管的导通电阻要求并不是很苛刻，如2A负载电流，导通电阻增加10mΩ，其静态功耗只增加0.04W，对产品的温升几乎不产生影响;但对于大功率固体继电器，特别是负载电流很大时，MOS管的导通电阻每增加1mΩ，都会大大增加输出端的静态功耗，如当负载电流为50A时，MOS管的导通电阻每增加1mΩ，其静态功耗就会增加2.5W，产生的热量将会迅速增加。

受半导体器件工艺水平的限制，短期内，MOS管的导通电阻没有办法实现无限减小，零点几个毫Ω是目前的极限水平，因此在大功率固体继电器设计时，通常一颗MOS管无法满足单路大负载电流的需求，此时必须通过多个MOS管并联的方式来降低输出接通电阻，以两个MOS管并联为例，如图1所示。

MOS管并联时，由于其结电容的存在，如果公用同一个驱动源时，很容易产生谐振干扰，使MOS管无法正常工作，因此为了消除干扰，需要在MOS管的G极串联一个电阻，如图1所示。MOS管并联，目的是降低导通电阻，而非提高负载电流的承受能力，必须要保证单个MOS管的负载电流大于额定负载电流，瞬间过负载能力大于产品规定的过负载能力。通常情况下，MOS管必须进行负载电压和负载电流两个方面降额，其中负载电压的降额因子应至少达到0.5，负载电流的降额因子应至少达到0.3。

3.2 驱动电路设计

除了选择合适的MOS管，以及采取多块芯片并联以降低其静态功耗发热量的问题，高压大功率继电器的驱动电路的电气设计还有着其特殊的要求，半导体开关器件无法像机械触点那样做到瞬间接通或瞬间关断，其接通和关断是有一个过程的，而在此过程中恰恰是开关器件发热量最大的时候，这个过程的功耗称为固体继电器的动态功耗。

我们假设产品负载电压为270V，回路电流为50A，采用光伏隔离方式电路，对其导通过程进行电气仿真，仿真电路和结果见图2。

由图3可知，MOS管的导通过程并不是阶跃信号，而是一个缓慢变化过程，整个过程持续了大约560μs（0.56ms）。假设在触点断开过程中的中间时刻，开关器件两端电压为135V，那么另外的135V就直接加在5.4Ω的电阻两端。此时，回路的电流为： ，则在该时刻，MOS管所承受的功耗为： 。由图2可知，在MOS管的导通过程中，其电压在不断的变化，则回路电流也在实时的变化。为了准确计算其导通过程所产生的热量，我们专门编制了一个程序，利用近似求积分的方法，将其导通过程分成若干份（根据软件计算结果，将网格划分到100次以上就可以基本接近其真实值），分别计算其导通过程瞬时功率及发热量，最后进行求和，为了计算方便，我们假设其关断过程为线性的，最后，计算出在导通过程中，MOS管的发热量为1.26焦耳。因整个导通过程时间极短，为了计算方便，我们忽略了传导、对流以及辐射的热量损失。根据物理中的热量计算公式可以求得芯片的温升。 ，其中m为芯片的质量，ρ为芯片材料硅的比热，经查，硅的比热为700J/（Kg.℃），经实际测量，芯片质量为10mg左右，代入公式计算可得：Δt≈180℃。这么高的温升显然是半导体芯片所不能承受的。这也是导致高压、大功率固体继电器试验过程屡有烧毁的原因。所以說，高压大功率固体继电器电路设计的核心就是如何降低MOS管的开启和关断时间，最大限度的降低其开关过程动态功耗。

鉴于变压器隔离型的驱动电流较大，能够有效缩短接通时间，因此对于大功率固体继电器，通常采用变压器隔离方式来解决光伏隔离形式固体继电器接通时间慢的问题，采用变压器隔离后，通常能够将产品的接通时间缩短至几十个μs，驱动电路原理图如图3所示。

4 结构设计

对于大功率固体继电器，除了在电路设计上要充分降低产品的管压降和通断过程的上升沿与下降沿时间，降低其开关损耗外，还必须对其管壳设计、芯片布局设计以及陶瓷基板设计等方面进行研究，充分降低从芯片到管壳的热阻，将产品内部的发热量尽快、尽可能散

发出去，避免由于内部热量过度累积、温度上升过高而导致内部芯片烧毁。

4.1 整体机构设计

整体结构设计，主要是考虑发热芯片的安装位置和安装工艺问题。在进行具体的产品设计时，芯片的安装位置以及安装工艺不是固定不变的，要根据具体产品情况进行分析，找出最有利于散热的安装方法。

发热元件热量的传递主要有传导、对流和辐射三种方式，在不同情况下，起主要导热的途径可能不太相同。比如，当物体的温度超过500℃时，此时物体会以可见光的形式向外辐射热量，此时，辐射是热传递的主要方式;而在低温情况下，物体只能通过红外光的形式向外辐射能量，此时热辐射在物体热传递就只能占据很小的比例。由于固体继电器的温度不会太高，因此辐射不是其向外散发热量的主要方式，在此不作过多考虑;因此，传导和对流就成了固体继电器的主要热传递方式。根据产品实际安装方式的不同，传导和对流在其对外热传递中的比例也会发生变化;具体来说，就是有的安装方式传导占热量散发的绝大部分，而有些安装方式，对流有起主要的决定左右。

4.1.1 接线脚弯插印制板形式产品芯片安装方式的选取

图4和图5是两种典型的大功率固体继电器结构，由图可以看出，两个产品引出端均采取弯插印制板方式。通常情况下，用户使用该类产品是要安装到印制电路板上的;众所周知，普通印制电路板采用的FR-4覆铜板环氧玻璃布层压板的导热性能是很差的，这种安装方式下，传导对产品热量的散发贡献并不大，而对流在其中占了主要部分。

根据热设计资料显示，这两种结构在自然对流换热的通用准则方程式中的系数C具有很大差别，详细情况见图6。

由图6可以看出，当水平板热面朝下是，其散热系数仅为0.27，而其散热面朝上时，其散热系数为0.54。由此可见，这种安装方式的产品，应该优先选择图5所示产品结构，这样才更有利于产品内部产生热量的散发。

4.1.2 直接线脚焊线式产品芯片安装方式的选取

随着负载电流的增大，产品结构已经不太适合做成弯插印制板形式，输出端设计成直接线脚焊线形式也是一种大功率固体继电器的典型结构，如图7所示。对于这种安装方式的产品来说，在实际使用安装时，一般会将继电器直接固定在一块金属板或金属壳体上，此时如将芯片贴顶部安装，虽然对对流比较有利，但会非常不利于传导的方式。在这种情况下，一般還是适宜将芯片贴底部安装。

4.2 壳体设计

壳体是大功率固体继电器与外界环境接触的介质，因此，壳体设计因素，必定会对产品的散热产生直接影响。通常，在管壳设计方面，我们首先应遵循以下几个原则。

4.2.1 增大产品的表面积

物体向外传递热量的能力与其表面积成正比。以表1为例，一个边长为10mm的正方体，其体积为1000mm3，其表面积为600mm2，将该外壳的长度边长50mm，厚度改为2mm，在体积不变的情况下，其表面积增大到了1240mm2，增大了106%，其向外传递热量的能力也将随之增大，这也就是为什么大部分情况将固体继电器设计成扁平状的原因。

而提高其向外传递热量的能力。我们以一个长度为25mm、宽度为15mm、高度为10.5mm的外壳来建模验证，验证结果见图8、图9。

从图8和图9可以看出，在壳体外形尺寸不变的情况下，我们仅在壳体表面开了一些槽，其表面积就从原有的1590mm2增大到了2262mm2，表面积提高了约42%。

4.2.2 壳体材料的选择

为了便于产品内部热量的散发，壳体材料应尽量选取导热系数较高的材料，比如铜材等。常用金属材料导热系数见表2。

5 结论

本文主要从电气设计、结构设计两个方面对大功率固体继电器设计进行了简单的分析。在实际的产品设计中，大功率固体继电器需要考虑的因素还有很多，比如用户的实际需求，稳态负载和瞬态负载、产品周围的散热条件等，随着固体继电器技术的不断发展，人们对大功率固体继电器设计的认知会越来越深入，设计技术也一定会越来越成熟。

参考文献

[1] 固体继电器结构的热应力分析及其优化设计[J].常国梅.河北工业大学硕士论文.

[2] 固体继电器热设计探讨[J].黄迎辉.徐奎.Electromechanical Components.

（作者单位：贵州航天电器股份有限公司）