一种低损耗继电器控制电路

张海明，李新宇

（1.合肥同智机电控制技术有限公司 电源研究部，合肥 230088；2.合肥工业大学 机械设计工程系，合肥 230009）

0 引言

继电器是一种非常经济、应用广泛的控制电流通断的电控制器件，是一种在电气输出电路中，当输入量的变化达到规定要求时，使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统与被控系统之间的互动关系，正是因为有这种关系，它被广泛应用于电子电路中。用小电流控制大电流，被称为“自动开关”，可以说继电器是电器设备中的关键元器件。

在逆变器中，继电器被广泛使用于直流关断、交流关断等功能电路中，是电力电器设备的核心器件之一，特别是在三相交流逆变器中，继电器有6 ～8 个，数量多，是极其重要的元器件之一。继电器的使用寿命是影响逆变器可靠性的关键指标，因此无数工程师在继电器的选型时会综合考虑影响继电器寿命的各项因素。

影响继电器寿命的因素中，温度因素是主要因素之一。继电器的过热不仅影响继电器本身的特性参数，还会影响继电器的使用寿命。引起继电器过热的原因有多种，包括触点阻抗过高、环境温度过高等。其中，主要原因是继电器自身的线圈损耗，线圈损耗是继电器的主要热源之一。

表1 泰科继电器T9SV1K15电气技术参数Table 1 Electrical technical parameters of T9SV1K15 Tyco relay

图1 常规继电器控制电路图Fig.1 Normally control circuit of relays

1 继电器的工作原理和控制电路

继电器主要由线圈和触点构成，只要在线圈两端加上规定动作电压以上的电压，线圈就会吸合。当线圈断开后，在自身弹簧作用下，触点就会弹开。继电器在吸合后，如果线圈电压维持在动作电压以上，那么线圈电压就会产生一定的损耗，该损耗引发的过热问题十分普遍。通常继电器的驱动控制信号来自于控制芯片，因此会有一个控制光耦，控制光耦经过开关管控制继电器的导通和关断。本文以泰科继电器T9SV1K15 为例，其控制电压为12Vdc，相关参数如表1 所示。

该继电器控制的额定电压为12Vdc，常规的应用中，DSP 控制信号经过光耦控制开关管的关断与导通，实现继电器的通断控制，具体电路如图1 所示。

从图1 中可以看出，当继电器处于闭合状态，绕线电压为12V，绕线电阻为64Ω，绕线消耗的功率为：122/64=2.25W，功耗较大，而继电器体积又小，导致继电器发热很严重。在中功率三相逆变器中，继电器的数量至少有6 个，这就导致仅继电器损耗至少有13.5W，严重影响了逆变器的整机效率。

针对继电器的线圈过热问题，很多行业人士均提出了很多解决方案，如磁保持继电器驱动电路的设计[1]，但过于复杂，成本过高，可靠性和电磁兼容性均未验证。因此，存在一定的不足。

图2 新继电器控制电路图Fig.2 The new control circuit for relays

本文提供一种新型的控制电路，该新型控制电路具有以下优点：

1）有效降低继电器正常工作的温升，解决继电器过热问题，延长该继电器的使用寿命。

2）可以大幅度降低继电器的线圈损耗，提高逆变器的效率，优化开关电源的功耗，提升整机性能。

3）控制电路具有一定的通用性，可以应用到其他具有类似特性继电器的所有电器设备中。

2 新控制电路的硬件结构

由于继电器的动作电压为9V，保持电压4.7V ～6V，因而在继电器吸合的瞬间需要给继电器线圈绕组加持一个9V 以上的电压，待继电器吸合之后，再将继电器的线圈电压维持在6V 即可以使继电器可靠工作。

本文所述新的控制电路在原有控制电路的基础上，增加了延时电路和分压电路。继电器在吸合动作过程中，线圈电压始终维持在继电器动作电压9Vdc 以上，继电器吸合后，通过延时电路和分压电路，继电器降到保持电压。具体硬件结构如图2 所示。

图2 中的分压电路为一个电阻，是分压电路的一种典型形式，阻值选择与线圈绕组阻值相匹配的值，如本文中的继电器T9SV1K15 线圈绕组为64Ω，则本分压电阻选择64Ω 或者根据保持电压选择附近的典型电阻值68Ω。

图2 中的延时电路由电阻、电容和PNP 型三极管组成，为延时电路的一种典型形式。当控制信号发开通指令后，开关管1 导通，电容C1 未充满电，导致PNP 型晶体管b 极低电压。此时晶体管导通，12V 直接加在了继电器线圈上，使继电器的线圈电压大于动作电压，继电器吸合。开关管1 导通的同时，C1 通过R1 开始充电，当C1 充满电后，晶体管关断，此时，继电器的电压通过分压电路，线圈两端的电压降低，继电器保持在吸合状态。此时，继电器的功耗为：6.42/64=0.64W。相比传统驱动电路的2.25W 损耗，继电器线圈绕组上的功耗得到了降低，理论温度下降。

图3 继电器吸合过程中的仿真图和仿真波形Fig.3 The simulation diagram and waveform of the relay connect process

图4 实际电路图Fig.4 The actual circuit diagram

图5 继电器线圈吸合瞬间两端电压波形图Fig.5 Voltage waveform of relay coil at the moment of suction

图6 常规继电器控制电路表面温度Fig.6 Surface temperature of normal relay control circuit

3 仿真模拟和器件选型

Ltspice 是一种功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真软件，它可以进行各种各样的电路仿真并给出波形输出和数据输出，无论对哪种器件和哪种电路进行仿真，均可以得到精确的仿真结果。

本文利用LtSPICE 软件对控制电路进行建模，根据继电器的动作时间为10ms ～20ms，为了可靠关断，仿真结果要求动作电压9V 以上的时间要求维持在30ms 以上。据此，对参数进行了仿真，最终确定电阻可以选择33kΩ，电容选择22uf，根据LtSPICE 软件建模和仿真结果，继电器吸合前1s 的电压波形如图3 所示。

4 电路的搭建与结果测试

根据仿真结果选择元器件，通过对实际电路的搭建并应用于三相逆变器输出部分的电路中。三相逆变器输出电路部分，由于单点故障的原因，需要6 个继电器，电路板上的继电器以及继电器的控制电路如图4 所示。

电路板搭建完成后，对继电器线圈两端的电压波形进行了测试，测出在继电器开启瞬间绕线两端的电压波形如图5 所示。

从实际电路的测试结果可以看出，继电器的吸合时间有31ms，完全满足可靠吸合的要求，继电器线圈电压在1s之后稳定在了继电器的维持电压6V；同时，继电器线圈的电压曲线与仿真结果的曲线基本一致，测试结果验证了仿真的正确性。

为了验证实际效果，电路搭建完成后，在逆变器其他电路不工作的情况下，仅仅吸合继电器。在常温20℃的情况下，对继电器的温度进行了对比测试，电路改进前后继电器温度对比如图6、图7 所示。

电路改进前，继电器的工作温度，见图6。

增加分压电路和延时电路后，继电器的工作温度，见图7。

通过对比可以看出，继电器的表面温度得到了明显改善，使用寿命得到了很好的温度保证。温度降低的同时，损耗也相应降低了，对应逆变器和开关电源的系统效率也相应地有所提高，电路在实际应用中起到了很好的效果。

图7 改进控制电路的继电器表面温度Fig.7 Relay surface temperature of improved control circuit

5 结束语

本文提出了一种包含延时电路和分压电路的继电器驱动电路，使继电器的线圈损耗由2.25W 降至0.64W，极大地降低了继电器由于线圈绕组而产生的损耗，有效地降低了继电器的温度，提高了继电器的使用寿命，继电器驱动电路经过了ltspice 仿真和实际测试验证，均证明了电路的可行性和使用效果的有效性。