无机械触点的继电器设计 (2)【开题报告】.doc

1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 无机械触点的继电器设计 1 选题的背景、意义 固态继电器 (SOLIDSTATE RELAYS)，简写成 “SSR” ，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件 (如开关三极管、双向可控硅等半导体器件 )的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为 “ 无触点开关 ” 。 固态继电器是国外 70年代发展起来的一种新型的与逻辑电路及半导体电路兼容的固态继电器 , 它是传统的电磁式继电器及电磁式接触器的更新换代产品。固态继电器的绝缘及开关功能完全 依靠电、磁及半导体的光电特性和电子元件来完成 1。 传统电磁继电器的

2、线圈是一个感性负载 , 它具有储存磁场能量的功能。由于感性负载在电压的有限值条件下 ,电感电流不能跃变。因此 , 该线圈通断电流时 , 在开始几微秒内不改变瞬态的形式 , 加之存在分布电容 , 电磁继电器线圈的电感与分布电容的比值较大 , 当线圈的电流截断时 , 带铁芯线圈两端产生很高的反电动势 , 产生具有陡峭前沿的大幅度浪涌电压 , 约 3ms 内 , 线圈两端电压近似上升到电源电压的多倍左右 , 然后按线圈感抗、分布电容和电路电阻所决定的速率下降到零。由于电 磁继电器的浪涌电压具有陡峭的前沿 , 它能产生强烈的冲击和激励 , 因此它是引起瞬态干扰的原因之一。 另外 , 电磁继电器的触点是

3、一个控制开关 , 在闭合或断开还会产生电弧。由于开关在通断时 , 电路中电流的变化率 di/ dt 很大 , 从而产生一个幅值很大的电磁脉冲。同时 , 如果回路中有感性元件 , 则在元件两端产生幅值很高的瞬时电压脉冲。且开关在闭合时 , 机械触点要反复跳几次才能安全闭合 ; 断开时 , 所产生的尖峰电压在触点两端形成的电弧 , 能熄灭而又再起弧 , 重复几次才能断开。由于触点的反跳和产生电弧 , 电流的瞬变不 只一次而是多次。整个转换瞬态电压实际是一组脉冲群。一般情况下 , 其反跳和电弧产生的间隔为几毫秒 , 电压尖峰持续时间约为几十微秒 , 这种短脉冲对电路能产生较严重的干扰 , 对数字信号

4、系统可能造成几个波特的信息错误 2。 因此 , 对于某些要求较高、系统小型化且集成度高的电子电路 , 传统电磁继电器的抗干扰性 , 抗振动性以及电磁兼容性等均难以达到要求。固态继电器具有可靠性高、耐振动、速度快、无噪音、安全性好 , 对外界干扰小 , 电磁兼容性好、灵敏度高等优点而被广泛应用。 固态继电器的主要优点有： （ 1） 无运动 零部件，无机械磨损，无动作噪声，无机械故障，可靠性高； （ 2） 无燃弧触点，无触点间的火花、电弧，无触点抖动和磨损，对外干扰小； （ 3） 开关速度迅速，动作时间可达 10-3S以下； （ 4） 灵敏度高，控制功率小，可达 10-3 以下，能很好地与 TTL

5、、 CMOS电路兼容； （ 5） 抗冲击振动性能优良，容易实现“零”压切换； （ 6） 一般用绝缘材料灌封成全封闭整体，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，防爆性能也极佳； （ 7） 半导体器件作为开关工作，寿命长； （ 8） 易实现附加功能 3。 由于固态继电器 和传统继电器相比有很多的优点，所以研究固态继电器的意思非常重大。 2 相关研究的最新成果及动态 据美国独立的技术、市场和战略咨询研究公司 ) ) ) 风险投资开发公司 (VDC)在 2007年 8月 15日公布的一项对全球继电器市场的研究发现 , 全球继电器市场总量在 2006年大约为 44亿美元。 VDC预计全球继电器市场将以 6

6、12% 的复合年度增长率 (CAGR)增加 , 在 2011年达到接近 60亿美元。 VDC 市场研究覆盖了连续接触负载电流额定值小于和等于 50A的机电继电器 (EMR ) 和固体继电器 ( SSR)。 2006年 , 总计销售了 6105亿美元的固体继电器。固体继电器的总出货量预计将以 1018%的复合年增长率增加 , 到 2011年将达到大约 10亿美元 4。 该研究中的固体继电器分类为 : MOSFET、非 MOSFET、 I /O组件。非 MOSFET 产品可按连续负载电流额定值范围进一步分类。 MOSFET 继电器占据了全球 SSR 继电器市场的最大份额 ; 然而 , 对于连续负载

7、电流额定值小于和等于 10A 的非MOSFET型号 , 预计将具有最大的增长率。全球不同消费市场领域 SSR 应用扩展情况很不一样 , 预计增长最 快的 SSR 市场是运输车辆 ; SSR最大的市场是工业自动化 ; 而应用扩展最快的是自动测试设备。该研究发现 , 到目前为止 , 全球最大的继电器市场为运输车辆应用 , 然而 , 其中 SSR 所占的份额在 2006年不到 3% 。这是预计 SSR 增长最快的市场领域 , 到 2007 年其复合年增长率超过 14%, 但即使按 14% 的复合年增长率增长 , SSR 在 2011年也仅占据该继电器市场的 415%。这是因为 SSR 对于大多数的运

8、输车辆应用仍然过于昂贵。第二大的全球继电器市场是工业自动化应用。这是 SSR市场份额最大的领域 , 在 2006年固体继电器占所有用于工业自动化的继电器出货量的近 27%。此外 , VDC预计工业自动化应用将是今后5年 SSR销售额增长最快的领域。 SSR 具有高可靠性和长寿命的特点 , 使之十分适合于工业应用。从事 VDC这项研究的首席分析师 PeterCrocker说 : 继电器不是制造过程当中的重要花费 , 而停机时间是。因此 , 在工业自动化场合 , 由于固体继电器较高的可靠性和较长的寿命 , 较高成本的固体继电器相对较低成本的机电继电器更具有优势。虽然 SSR 最大的全球市场是在工业

9、自动化应用 , 但却不是SSR应用扩展最快的 领域。 2006年自动测试设备 (ATE) 是继电器第六大全球市场 , 其继电器出货量的近 57% 是 SSR。除了高可靠性和长寿命外 , SSR 对 ATE 应用有吸引力的其它特点包括 : 切换速度高 , 尺寸小 , 在正弦波的过零处接通和关断 , 因此减少了浪涌和噪声尖峰。 尽管应用 SSR取得的某些成果给人印象深刻 ,然而 , 除了价格之外 , 采用 SSR 仍然有其它障碍 , 包括 : EMR供应商有能力提供更小尺寸的继电器 , 尤其是对印制板安装 ; SSR 在切换期间有漏电流 ; EMR能够承受更高的浪涌电压 ; EMR 具有更高的隔离

10、特 性 ; EMR具有低阻抗路径切换 ; SSR 不能像 EMR 那样有效地散热 , 在较大电流的场合 , 需要散热器来控制热负载。在某些场合中 , 这些因素比其它因素更加重要。总的说来 , SSR 明显的价格贴水 , 加上 EMR 供应商已能提供更小的继电器的能力 , 已成为一个主要的障碍。但这种情况可能不会继续 , 对 SSR 的贴水将缩小。因此 , 目前采用 SSR 的扩展趋势将会继续下去。 固态继电器技术如此重要，所以它发展迅速并且前景乐观。它的发展趋势如下： 1. 固体化 、 混合化和智能化 随着微电路 、 单片机 、 计算机 、 程序 控制器和数据总线在军事装备系统中的广泛应用 ，

11、 固态继电器 在输入功耗 、 开关速度 、 电磁干扰等许多方面更能适应这种形势 ， 并正在以最快的速度发展 ， 同时 ， 固体化也已扩展到延时 、 温度 、加速度等类继电器 。 在机电继电器中引入电子电路 ， 可改善其性能 ， 增加功能 ， 从而形成混合化结构的智能 、 延时 、 温度 、 加速度等继电器和断路器 。 而将功率器件与机械触点并联 ， 通过内部程序电路使功率器件承担电流的切换 ， 触点承载接通后的电流 ， 可有效提高这种大功率继电器的负载能力和可靠性 。 事实上 ， SSR的各种智能化功能 ， 也可以极大地提高系统的自动化程 度和安全可靠性 。 同时 ， 以固体化 、 混合化为基

12、础 ， 适用于总线控制的继电器 、 可编程延时继电器 、 加速度继电器以及继电器阵列组件 (模块 )， 也是其发展的新动向 。 2. 高灵敏 、 微型化和 COTS 为满足电子装备绿色 、 低功耗和 3 V、 1.5 V低电压的要求 ， 应用也必然要求进一步降低 SSR的输入功耗 ， 提高灵敏度 5。 而为满足整机装备小型化 、 轻量化的要求 ， 采用不断改进的更小功耗的开关器件 ， 以新型导热材料和散热结构来提高 SSR的切换功率与体积之比， 追求 SSR的微小型化也是一种趋势。这方面， 采用光伏耦合技术的陶瓷 封装或塑料封装的光 -MOS继电器走在了前面， 目前国内 1路常开、 6引脚陶瓷

13、密封 SSR的最小外形为 8.6 7.6 4.2 mm，国际上 4 路常开 16 引脚塑封 SSR 的最小外形为 10.374.4 2.1 mm6。 随着光耦合技术、低导通电阻 MOSFET技术和专用集成电路技术的进步， SSR还可以采用多芯片组件 (MCM)、低温共烧多层陶瓷 (LTCC) 和系统级芯片以及系统级封装 (SOC或 SIP or SOP)等新技术， 在高灵敏、微型化方面， SSR更具有优势和潜力 7。 3. 高压大电流和多组转换 随 着航天、航空装备电源由 28 Vd.c.提高到 100 Vd.c.、 270 Vd.c.和汽车电源由 24 Vd.c.提高到 42 Vd.c.的趋

14、势， EMR和 SSR均面临提高输出 (负载 ) 电压的任务，业内人士认为： SSR在这方面将更具有潜力。 提高继电器的输出电压和电流 ， 是切换装备总电源和特大功率负载的需要 。目前国内已在研制输出电压和电流达 270 Vd.c./25 A， 28 Vd.c./150A和 220 Va.c./25 A的密封大功率控制 SSR型普通系列和触点负载达 450 Vd.c./400 A的混合结 构继电器 8。 为了节省装备的体积 ， 整机装备对 SSR提出了增加多组转换电路的要求 ， 包括供舰上和地面装备使用的环氧灌封三相 SSR、 控制三相电机正反转的 SSR和软启动 SSR等 。 4. 抗辐射加

15、固 为了满足卫星 、 战略导弹 、 深空探测器等宇航装备系统的需要 ， SSR和各种混合结构继电器均面临 总剂量 、 单粒子效应 、 电磁脉冲等抗辐射加固的重要任务 。 国外一些公司在二十世纪九十年代 ， 其具有抗辐射加固指标的 SSR已占其军用 SSR的 3/4。 5. 高可靠性 军用 SSR应满足 PIND (粒子碰撞噪声检测 )和 DPA (破坏性 物理分析 ) 的要求，而宇航用 SSR则应达到 GJB2438A的 K级 ， 这些级是目前高可靠 SSR应解决的瓶颈和关键技术 。 而这也必然要求进一步加强从设计到制造的 SSR全过程的质量可靠性控制 9。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方

16、法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 此课题的研究内容为设计拟构建一种基于可控电力电子器件的，无机械触点的，可与计算机实现实时通信的继电器。本设计的 输入部分 应包含 能反映一定输入变量（如电流、电压、温度光等）的感应机构；有能对被控电路实现 “ 通 ” 、“ 断 ” 控制的执行机构（输出部分）；在继电 器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 同时通过单片机控制，实 自动、遥控 和 监测。 电路的设计 其基本的设计框图简图如下： 系统设计思路与总体方案为： 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件 ,所以与电磁继电器

17、相比具有工作可靠、无噪声、无火花 、 寿命长 ,对外界干扰小 ,能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、 灵敏度高、 开关速度快和使用方 便等一系列优点 ,因而具有很宽的应用领域 ,有逐步取代传统电磁继电器之势 ,另外，无触点的继电器可通过单片机成功地 实现弱信号对强电的控制 10。 可以 利用大功率三极管、功率场效应管、 绝缘栅双极性晶体管、 单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。此次研究选用的为绝缘栅双极型晶体管 IGBT，是由 BJT(双极型三极管 )和 MOS(绝缘栅型场效应管 )组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 , 兼有 MOSFET的高输

18、入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。 IGBT 驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 此次设计的是一个类似于热继电器结构的无触点的机械式继电器。该继电器和接触器配合使用可 用于电动机或其它电气设备、电气线路的 过电流、过电压保护。 三相交流进线 主触点1 主触点2 主触点3 AC-DC 变换器 三相交流出线 采样回路 单片机 PC 机 辅助触点1 辅助触点2 控制电路进线 控制电路出线 设计分为五部分： 第一部分： AC-DC 变换器。由于 IGBT 器件导通、单片机的输入电压需要的都是是直

19、流电压，所以在提供电压时三相交流电必须有一个整流的过程。通过整流将交流电变为直流电，使器件正常工作。 第二部分：主触点 1、 2、 3。主触点 1、 2、 3 的三个入线端接三 相交流电，三相交流电再从出线端流出接负载。入线端和出线端的电压和电流相同，如果主触点不断开，两个接线端之间相当于导线。 第三部分：辅助触点 1、 2。辅助触点 1、 2 的两个进线端选择三相交流电中的两相进行输入。辅助触点一个为常开触点，一个为常闭触点，常闭触点串联在控制电路中。通常情况下， 常闭触 点 处于闭合状态， 电路 保持吸合，电动机正常运行。如果 电动机过载，继电器的常闭触 点 断开 ，常开触点闭合，使主电路

20、断开，切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。 第四部分：采样回路。采样回路的作用就是检测电路中电流、电压如何变化， 是否有过电压、过电流，电动机是否过载，电源是否一相断线造成缺相。 第五部分：单片机。单片机能够接受采样回路传来的信号，根据信号的不同对相应的主触点回路或辅助触点回路采取相应的措施。其中单片机和 PC 机连接，能够和计算机进行远程通信。另外用单片机可实现驱动电机、实现电机正反转等功能 11。 器件的选择 主触点中的 IGBT 可选用东芝 MG15J6ES40 15A/600V/6U 型号 ，辅助触点中的IGBT 可选用东芝 MG8J6ES1 8A/600V/6U 型号，单片机选用

21、 Intel 公司 89C51单片机 12。 4 研究工作详细进度和安排 2010.11 2011.2：充分检索资料的基础上完成课题开题报告、文献综述、外文翻译。 2011.2 2011.3：完成整体方案设计 2011.4 2011.5：具体试验及分析 2011.52011.5：整理毕业设计的资料，完成毕业问题的初稿 2011.6：毕业答辩 5 参考文献 1 黄正 ;全球继电器市场呈现固体继电器扩展应用趋势 J. 机电元件 2008年 02 期 2 周峻峰 ;中国控制继电器行业发展的思考 J. 机电元件 2008 年 01 期 3 王庚林 ; 屈建江 ; 王艳华 ;我国固体继电器的发展和应用

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