3.4 隔離電路的設計
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換效率。提高振蕩頻率， 使其達到50kHz ~200kHz， 實現快速響應。
隔離變壓器磁芯是本電路的關鍵器件， 直接關系到電路的特性和轉換效率。根據材料特性與本電路的特點， 并通過反復試驗， 采用Mn-Zn 高磁導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 磁導率和飽和磁通密度要高， 可減少線圈匝數， 減小內阻， 減小磁環體積；
⑵ 矯頑力要小， 減小磁滯損失；
⑶ 電阻率要高， 減小渦流損耗；
⑷ 合理選擇居里溫度， 提高磁環的綜合性能。
隔離電路設計的另一個關鍵是振蕩電路的設計， 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化設計。
⑴ 調整RC 值， 改變振蕩頻率， 測試輸出參數， 并計算耦合效率η， 直至η最大；
⑵ 調整變壓器線圈匝數， 測試輸出參數， 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，經過整流橋電路D1、D2 整流后， 為驅動電路提供工作電流。
3.5 驅動電路的設計
驅動電路直接給輸出電路供電， 輸出電路的功率場效應管必須由恒壓源驅動。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。工作電流經過R13、V11 形成回路， V11 為15V 穩壓管， 確保提供給輸出電路的場效應管驅動電壓為15V 恒壓源。R14、C5 形成一個放電回路， 當限時保護繼電器不工作時， 由于輸出端功率場效應管的電容效應， 會在功率場效應管的G 端積累電荷，會影響到功率場效應管的壽命， 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 串聯輸出電路的設計
輸出電路包括功率場效應管、串聯保護回路和吸收電路。
⑴ 功率場效應管的選擇
功率場效應管是限時保護繼電器的核心部件，選擇合適的功率場效應管是設計成功的關鍵。本產品中的功率器件可選用的類型主要有功率場效應管（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， 導通管壓降低， 驅動功率小， 體積小， 故作為限時保護繼電器的功率器件比較合理。
根據限時保護繼電器的應用特點， 應選用低電壓降型的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 串聯保護回路的設計
根據圖9 的電路原理圖所示， 通過電磁繼電器K 與功率場效應管Q1 串聯， 當限時保護繼電器不工作時， 電磁繼電器K 的觸點斷開， 功率場效應管的兩端無電壓。因此， 發動機系統產生的電磁干擾不會對功率場效應管Q1 產生影響； 當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； 當限時保護繼電器斷電時， 由于功率場效應管的關斷時間快， 為2.5ms， 因此， 關斷時電磁繼電器K 在不帶電的情況下后關斷， 通過此電路設計， 可確保電磁繼電器不會出現帶電切換的情況， 即不會出現電弧情況， 可確保電磁繼電器K 穩定工作。
⑶ 吸收電路
限時保護繼電器在關斷時產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管Q1 進行保護， 本電路中采用VRC 吸收電路。其中， V12 為快恢復二極， 管R15 為功率電阻， C6 為高頻無感電容。Q1 導通時， 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 在關斷時產生的干擾電壓較高， 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 結束語
本文介紹了固體式限時保護繼電器的電路設計， 并詳細介紹了輸入電路設計、延時濾波電路設計、限時保護電路設計、隔離電路設計、驅動電路設計、串聯輸出電路設計， 并經過技術攻關， 研制出JGD24 -5 型固體式限時保護繼電器。經試驗驗證， 其各項技術指標均達到了該方案的設計要求。