固体继电器在火工品点火电路的应用

赵笃良，郭建章，刘理想，韦跃武

固体继电器在火工品点火电路的应用

赵笃良，郭建章，刘理想，韦跃武

（贵州振华群英电器有限公司，贵州 贵阳，550018）

为提高火工品点火电路抗冲击、振动性能，针对固体继电器固有的输出电容及输出漏电流特性，以及现有点火电路的测试方法造成的影响，对固体继电器在火工品点火电路中的应用进行了分析探讨。以点火电阻的控制为例，通过对点火电路测试方法、固体继电器上电及发火特性分析和测试方法的改进，得到固体继电器可以应用于火工品点火电路的结论；并且，对于有可靠性要求的点火电路，提出采用冗余设计方案，以提高电路接通、关断的可靠性。

点火电路；固体继电器；电磁继电器；冗余；抗冲击

固体继电器使用半导体功率器件作为开关元件，无动作部件、无机械触点、无电火花产生，具有优异的抗冲击、振动性能[1-2]，而电磁继电器在冲击、振动状态下存在误动作的可能，因此固体继电器正越来越多地用于军事目的和安全生产领域，尤其是在电源控制和信号控制方面。

在火工品点火方面，固体继电器也得到了一定的应用。然而，有别于电磁继电器，固体继电器固有的输出电容及输出漏电流特性[2]，以及现有点火电路的测试方法造成的影响，使得部分点火系统的设计师对固体继电器用于点火控制比较谨慎。本文以点火电阻的控制为例，详细分析固体继电器在火工品点火中的应用。

1 现有点火电路测试方法及分析

火工品点火电路结构如图1所示。点火电路常用的测试电路如图2所示，测试方法为：点火电路不接火工品电阻R，示波器接火工品电阻R连接点，点火继电器输入端不加控制电源，输出端加点火电源V[3-4]。测试开关闭合瞬间的波形，若示波器在闭合瞬间及之后显示电压波形接近0V，且在施加点火继电器的控制电源后，示波器显示电压波形接近V，则认为点火电路工作正常。

图1 火工品点火电路

图2 点火电路测试电路

图2中若采用电磁继电器，由于继电器触点为物理断开，因而可以满足上述的测试要求，但电磁继电器在冲击、振动状态下存在误动作的可能。固体继电器采用半导体器件作为开关器件，无运动部件、无机械触点、无电火花产生，具有优异的抗冲击、振动特性，可以有效避免冲击、振动造成的误动作。因此，有必要研究固体继电器在火工品点火电路中的应用。

固体继电器采用直流功率半导体器件作为输出器件，通过输出器件的导通和截止完成继电器的开关动作[5]。由于功率半导体器件的固有特性，固体继电器在关断状态存在输出电容C和输出漏电流I。若图1电路中的点火继电器为固体继电器，采用上述的测试方法，在继电器关断、接通的瞬间，示波器会检测到1个电压阶跃跳变，然后逐渐衰减，直到接近0V。该波形与点火电路的寄生电感有关，寄生电感越小，阶跃电压的幅度越接近V，且衰减时间越长，可将该波形称为上电脉冲。实测在开关闭合瞬间，示波器捕捉到幅度16V、衰减时间接近15ms的电压波形，如图3所示。测试用示波器探头阻抗10MΩ，输入电容12pF。

图3 负载开路时上电脉冲

2 固体继电器上电及发火特性分析

2.1 固体继电器点火电路上电特性分析

直流固体继电器多以增强型功率场效应管（MOSFET）作为输出开关器件，在驱动电路的作用下，场效应管工作于开关状态，其等效模型如图4所示。图4中，为MOSFET的等效开关，为MOSFET的体二极管，R为MOSFET漏电流所致的等效泄漏电阻，一般R都在几MΩ以上。

图4 MOSFET等效电路

当固体继电器输入端无激励信号时，MOSFET栅极无激励电压，由于C远大于C，可认为V=0，栅源之间呈短路状态；由于R远大于继电器负载电阻R，故R的影响可以忽略，视同开路；在固体继电器正向应用时，MOSFET的体二极管处于反偏状态，也可视同开路。MOSFET等效电路可简化为图5，其中C可从MOSFET的数据表查得。

用MOSFET组成的固体继电器，其等效电路如图6所示。简化后的固体继电器点火电路如图7所示。

图5 简化后的MOSFET等效电路

图6 直流固体继电器等效电路

图7 简化的固体继电器点火电路

令=R/(R+R)，=(R+R)×C，对一个固定的电路，和均为常数。OUT+与GND之间加点火电压V，忽略电路中寄生电感的影响，当=0时，闭合，则闭合之后点火电阻两端电压V与时间的关系为：

V()=×V×e-t/τ（1）

当=t时，点火电阻两端电压下降至初始值的10%，t称作上电脉冲的作用时间，则：

×V×10%=×V×e-tf /τ

t=×ln10=2.3（2）

点火电阻R承受的瞬时功耗()：

()=V2()/R=（（×V）2/R）×e-2t/τ

令=(×V)2/R，对一个固定的电路，亦为常数，则：

()=×e-2t/τ（3）

当=∞时，上电脉冲消失，点火电阻承受能量E，则：

以某点火电路为例，其点火电压V=28V，火工品限流电阻R=3Ω，点火电阻R=2Ω，点火继电器为固体继电器，以单只MOSFET作为输出器件，MOSFET对应型号为IRF2807，查MOSFET数据表，得到C=610pF。

查固体继电器数据表得知，最大输出电压60V，最大漏电流10μA，计算的R为6MΩ，远大于火工品限流电阻与点火电阻之和，故可以忽略固体继电器关断状态的输出端电阻的影响。

根据上述条件，计算得：

=R/(R+R)=2/(2+3)=0.4

=（×CC）2/R=(0.4×28)2/2=62.72 W

=(R+R) ×C=(2+3)×610×10-12

=3.05×10-9s=3.05 ns

将上述值带入式（1）～（4），得到：

（1）闭合之后点火电阻两端电压V与时间的关系为：

V()= 11.2 e-t/3.05（的单位为ns）

（2）上电脉冲的衰减时间：

t=2.3=2.3×3.05=7.015 ns

（3）上电脉冲持续期间施加于点火电阻的瞬时功率：

()=×e-2t/τ=62.72×e-2t/τW

（4）上电脉冲施加于点火电阻的能量：

E=/2=62.72×3.05×10-9/2≈9.6×10-8J=96nJ

点火电阻R的发火参数见表1。

表1 点火电阻的发火参数

根据表1可计算点火电阻安全能量的允许最大值为：

E=I2×R×t=0.32×2(1-10%)×10=1.62 J

既只要施加到点火电阻的能量不超过1.62J，则点火电阻就不会被激发，而上电脉冲提供的能量仅有96nJ，远小于安全能量允许的最大值，因此，在点火电源上电瞬间产生的上电脉冲不会造成点火电路的误动作。

2.2 点火电路的上电测试结果分析

分析图2的测试电路以及图3的测试波形，应是测试方法不适合固体继电器点火电路特点所致。首先，点火电路中的固体继电器最大输出电压60V，输出漏电流实测不超过0.02μA，则其等效泄漏电阻R=3 000MΩ，远大于示波器探头阻抗，R相当于开路，可被忽略；其次，示波器探头的输入电容为12pF，远小于场效应管的C，示波器的输入电容也可被忽略。因此，图7的电路模型仍然可以适用于测试电路的分析。

用示波器的输入阻抗R取代R，计算可得：

=R/(R+R)=10×106/(10×106+3)=1

=(×V)2/ R=(1×28)2/(10×106)

=78.4×10-6W=78.4 μW

=(R+R)×=(3+10×106)×610×10-12

=6.1×10-4s=0.61ms

将上述值带入式（1）～（4），得到：

（1）闭合之后示波器探头两端电压V与时间的关系为：

V()= 28×e-t/0.61（的单位为ms）

（2）上电脉冲的衰减时间：

t=2.3=2.3×0.61=1.403 ms

（3）上电脉冲持续期间施加于示波器两端的瞬时功率：

()=×e-2t/τ=78.4 e-2t/0.61μW

（4）上电脉冲施加于示波器两端的能量：

E=/2=0.61×10-3×78.4×10-6/2≈24×10-9J=24nJ

计算所得示波器探头两端电压V与时间的关系曲线如图8所示。

图8 示波器两端电压与时间关系曲线（计算值）

比较图3和图8可见，二者基本接近，稍有差异。造成差异的原因是由于计算时忽略了电路中的寄生电感。通过计算结果可以看出，尽管在点火电源上电期间电压冲击的幅度较大，但由于持续时间很短，其冲击能量远小于点火电阻的安全能量，说明对于固体继电器组成的点火电路，上电脉冲不会造成点火电阻误发火。

2.3 固体继电器点火电路的发火

固体继电器点火电路应满足相应国军标和点火电阻产品数据表要求。参照QJ 2138A-2004 爆炸螺栓通用规范[6]4.3.3.2条“工作电流应大于最小全发火电流的1.2倍”的规定，并根据表1“最小发火电流1.5A”的要求，继电器导通后，流过点火电阻的电流，应不小于1.8A。图1中固体继电器的接通电阻不大于30mΩ，相对于点火电阻可以忽略。则当固体继电器接通后，若流过点火电阻的电流为I，则：

I=V/(R+R)=28/(2+3)=5.6 A

I>1.8A，满足点火电阻的要求，可以可靠发火。

2.4 固体继电器点火电路的测试方法

对图2的测试方法进行改进，进行测试时在点火电阻的接入端加等阻值负载电阻，即可模拟点火电路工作的真实状况，避免因测试方法的差异造成误判。

3 点火电路的冗余设计

GJB 1307A-2004航天火工装置通用规范[7]第3.4.6.1条规定“关键性的火工装置，应采用冗余技术，排除单点失效，任一单个起爆元件的失效，不会造成火工装置功能的失效。可能情况下应使用冗余火工装置完成同一功能。在系统只允许使用一个火工装置的情况下，宜采用两个起爆元件……”。因此大部分火工品点火电路，都采用冗余设计。

3.1 继电器接通冗余设计

为了保证点火电路的可靠激发，一般采用接通冗余，即把2个固体继电器输入端并联，2个固体继电器的输出端并联在一起，2个固体继电器同时触发，电路如图9所示。

由图9可以看出，即使其中一路固体继电器出现故障，使得触点不能可靠接通，另一路固体继电器的触点也能接通，保证了接通的可靠性。

3.2 继电器关断冗余设计

对于要求可靠“熄火”的应用，一般采用关断冗余，即把2个继电器输入端并联在一起，输出端的2个触点串联在一起，同时触发，电路如图10所示。由图10可以看出，即使其中一路继电器故障使得触点不能可靠关断，另一路继电器的触点也能关断，保证了关断的可靠性。

3.3 继电器接通关断冗余

对于既要求可靠接通，又要求可靠关断的点火电路，可先将4个固体继电器两两并联，组成图9所示电路，然后再将并联后的继电器输出电路串联在一起，组成图11所示的电路。

图11中4个继电器的输入端并联在一起，同时触发，即使任一只固体继电器发生故障，不能正常接通或关断，其它固体继电器仍可实现接通和关断，保证整个电路正常接通或关断。

3.4 固体继电器和电磁继电器组合冗余点火电路

对冲击、振动以及上电脉冲要求较高的用户，采用固体继电器和电磁继电器组成复合继电器点火冗余电路，会实现最佳效果。用电磁继电器替代图10电路中的2或图11电路中的3、4，利用电磁继电器的物理隔离，可以有效避免上电脉冲造成的干扰，同时，用固体继电器优异的抗冲击、振动特性，避免冲击、振动造成的继电器误动作，最大程度上实现了优势互补及电路设计冗余。

4 结语

通过研究可见，固体继电器可以应用于火工品点火电路，点火电源上电瞬间产生的上电脉冲，不会造成点火电路的误激发；在控制端施加激励信号后，点火电阻可以可靠发火。针对电磁继电器抗冲击振动能力差的问题，采用固体继电器点火电路具有更高的可靠性。对于有可靠性要求的点火电路，采用冗余设计，可以提高电路动作的可靠性，同时，采用固体继电器和电磁继电器组成复合型冗余电路，可以实现固体继电器和电磁继电器的优势互补。

[1] 佟为明,翟国富,等. 低压电器继电器及其控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.

[2] 吴义彬.继电器用户实用手册[M].北京:国防工业出版社, 1992.

[3] 刘浩,杨薇秀,朱元元,杨志远,任斌.航天器火工品点火电路误触发防护设计[J].火工品,2019(4):19-22.

[4] 杜光远.固体继电器在武器系统中的应用[J].电子产品可靠性与环境试验,2015,33(5):28-31.

[5] 朱耀君,徐东兴.浅谈固体继电器的接通和关断电压[J].国外电子元器件,2008(11):86-88.

[6] QJ 2138A-2004 爆炸螺栓通用技术条件[S].国防科学技术工业委员会,2004.

[7] GJB 1307A-2004 航天火工装置通用规范[S].国防科学技术工业委员会,2004.

Application of Solid State Relay to Ignition Circuit of Initiating Explosive Device

ZHAO Du-liang，GUO Jian-zhang，LIU Li-xiang，WEI Yue-wu

(Guizhou Zhenhua Qunying Electric Appliance Co.Ltd., Guiyang, 550018)

To improve the impact resistance and shock resistance properties of ignition circuit of initiating explosive device, aiming at the inherent output capacitance and output leakage current characteristics of the solid relay, as well as the influence caused by the test methods of the existing ignition circuit, the application of solid state relay to the ignition circuit was analyzed. Taking the control of ignition resistance as an example, through analyzing the ignition circuit testing method and characteristics of power on and firing of solid state relay, as well as improving the testing method of ignition circuit, the conclusion was obtained that the solid relay can be applied to the ignition circuit. Meanwhile, the redundancy designs were proposed to improve the connect and turn-off reliability of ignition circuit.

Ignition circuit；Solid state relay；Electromagnetic relay；Redundancy；Impact resistance

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.003

1003-1480（2019）05-0010-05

2019-06-19

赵笃良（1965 -），男，高级工程师，主要从事固体继电器新产品的研发及管理工作。