固体继电器在武器系统中的应用

杜光远

（北京机电工程研究所，北京 100074）

固体继电器在武器系统中的应用

杜光远

（北京机电工程研究所，北京 100074）

固体继电器可靠性高，抗力学环境能力强，因而被广泛地应用到了火工品点火驱动电路中。然而，当将固体继电器应用到火工品点火驱动电路中时，继电器的漏电流和分布电容引起的耦合电压又会给火工品的安全性带来不良的影响。针对这种情况，在总结固体继电器的上述特点对火工品点火电路的影响的基础上，提出了在固体继电器的控制端增加能量判别电路和电压选择电路来增强固体继电器的抗干扰能力的技术方案，从而为固体继电器在涉及安全的武器系统中的应用提供了条件。

固体继电器；火工品；安全性；能量判别电路；电压选择电路

0 引言

目前，武器系装备上使用的火工品点火驱动电路大部分都是使用电磁继电器作为功率控制元件。这种元件具有触点电阻小、断开状态隔离度高、驱动方式为功率驱动，以及抗干扰能力强等优点。但是，由于电磁继电器内部有运动部件，因而其又存在抗力学环境能力较差，以及接通和断开时触点间容易出现拉弧打火现象等缺点。电磁继电器在吸合的瞬间，触点会经历一次复杂的动态过程，在这个过程中，触点碰撞所引起的回跳不仅会加剧触点的磨损、烧蚀，甚至会导致触点粘接、击穿，从而严重地影响继电器的可靠性与寿命[1]。

固体继电器是具有隔离功能的电子开关，利用光电子和微电子技术实现了控制电路 （输入端）与负载电路 （输出端）之间的电耦合和电隔离，内部无任何运动部件。固体继电器除了具有与电磁继电器一样的控制功能外，还具有与逻辑电路一样的兼容性好、开关速度快、输出接通电阻稳定、瞬间切换功率大、对外界干扰小、寿命长以及可靠性高等特点。一般情况下，军用电磁继电器的寿命次数能达到五级或亚五级就是比较好的了，而固体继电器的可靠工作寿命一般能达到108～1012次[2]。固体继电器具有诸多的优点，因此其在火工品点火驱动电路中得到了广泛的应用。

但是，当固体继电器被运用到武器系统等环境中时，固体继电器的某些优点也可能会变成缺点，因此，应用固体继电器前必须认真分析，谨慎使用。

1 漏电流的影响

固体继电器普遍有一定的漏电流，数值一般在mA级。如果固体继电器后端是高阻、弱电流驱动电路，后端电路有可能在继电器处于未导通状态时因漏电流而响应，从而造成系统状态异常。因此，固体继电器后端一般应为功率型电路，如果用弱功率电路来监测输出端的状态，则一定要考虑漏电流的影响。

在武器系统中，如果将固体继电器运用在火工品点火的驱动电路中，则必须对固体继电器漏电流的大小进行严格地控制。按GJB 5309.15的规定，火工品杂散电流试验条件为：电流脉冲幅度100±5 mA；电流脉冲宽度300±5 ms；脉冲周期 500±5 ms；脉冲个数不少于 2 000。标准规定，如果火工品试样在试验过程中不发火、不断桥，且试验后的试样在做规定的功能试验时能够满足设计性能的要求，则认为试样合格，否则，则认为试样不合格。由此可以判断，如果固体继电器在接通之前有小于100 mA的漏电流，该电流对火工品的性能是没有影响的，但是，如果电流大于100 mA，且持续时间较长，就应仔细分析漏电流对火工品的影响了。

2 寄生电容的影响

在固体继电器的原极和漏极之间存在一个几百至几千皮的分布电容，这个电容的大小受工艺的影响。此电容的存在，能够使继电器的原极和漏极之间在工作电源上电瞬间短时处于导通状态，表现为在电源上电瞬间，在输出端可以测到一个电压。在输出端连接不同的负载时测到的电压会有明显的不同。某型固体继电器在连接不同负载时输出端电压的仿真结果如表1所示。

从表1中的数据可知，输出端的电压与输入端电压上升沿的上升时间直接相关，即输入端电压的上升时间越短，输出端的电压就会越高，反之输出电压越低。在单独测试固体继电器时，因为工作电源直接给固体继电器加电，所以上升沿一般较陡，输出电压较大。在一个系统中，如果供电接通瞬间电源除了有继电器之外还有其他的容性和感性负载，则电压上升沿一般较缓，输出电压也就会比电源单独给继电器供电时的输出电压小。这也说明，固体继电器在系统中使用时，上电瞬间因分布电容引起的输出电压一般会比较小，因而其对后端电路的影响也会较小。输出端的电压的峰值和高电压的保持时间还与输出端的负载电阻的大小有关。负载电阻大时，峰值电压较高且持续时间较长，反之峰值电压较低且持续时间较短。当负载端的电阻为100Ω时，输出端的峰值电压只有1.8 V，持续时间只有1.1μs。这种等级的峰值电压和能量对后端电路的影响较小。由此可知，当固体继电器后端电路为功率型电路时，固体继电器的分布电容引起的电压耦合对后端电路的影响较小。而当固体继电器的输出端连接的是测量电路时，因测量端的放大器或数据采集电路的输入端的阻抗较大，电容耦合的峰值电压会较高且持续时间较长，特别是用示波器测量输出端的电压时，因示波器输入端阻抗一般较大，所以能够捕捉到耦合电压的机会也会较大。基于以上情况，当在固体继电器测量电路测到了耦合电压时，要分析固体继电器的实际后端电路与测量电路的区别，以此分析耦合电压的影响。在设计固体继电器电路时，应尽量地避免用固体继电器驱动高阻抗后端电路，因为这样的电路可能会在电源上电瞬间由于耦合电压的影响而发生故障。

表1 负载电阻与输出端电压和持续时间仿真结果

3 电压选择电路和能量判别电路

为了使固体继电器适用于更多的场合，在设计固体继电器或固体继电器模块时，一般常常在固体继电器前端设置一个过压及欠压保护模块[3]，以保证固体继电器的工作电压在较大范围内变化时，固体继电器仍能正常工作。这样的设计对于提高固体继电器在复杂电源环境下的工作可靠性具有重要的意义。

固体继电器的转换速度很快，转换时间在微秒级，而且其输入功率很小，在复杂的电磁环境下，如果仍然用电压幅值对固体继电器进行控制，则由干扰脉冲引起的误动作的情况可能会发生。固体继电器的输入电压和输出电压之间具有近似的线性放大关系。由于输入电压在很窄的区间内变化时，输出电压就进入了饱和导通的状态[4]，所以固体继电器可能会因很窄的干扰脉冲电压的影响而接通。固体继电器的这个特性，使其在驱动涉及安全性的火工品点火电路时存在较大的风险。而电磁继电器实际上是一个能量驱动电路，当驱动电压很高但持续时间较短时，由于继电器的线圈储存的能量不足以克服继电器的弹簧力和电磁力，所以继电器的衔铁不会离开原来的位置实现转换，因此，将这样的电路应用在火工品点火电路中可以抑制干扰电压信号引起的误动作，具有较好的安全性。

如果能让固体继电器具有与电磁继电器类似的能量驱动特性，则固体继电器在火工品点火电路中应用时的安全性也能得到保障。实现上述目的的最好的办法就是在固体继电器的输入端增加能量判别电路和电压选择电路。

能量判别电路能够对输入的控制信号的能量进行判别，将继电器的控制方式由传统的幅值控制改变成能量控制，对不满足能量要求的干扰脉冲进行滤除。电压选择电路对控制端的电压进行选择，使控制端对非正常控制电压不响应，从而可以避免干扰电压误驱动固体继电器接通。

能量判别电路和电压选择电路的工作原理示意图如图1所示。当宽度小于3 ms的脉冲信号经过此电路时，该脉冲信号不能转换为固体继电器的有效输入，可以用积分电路来实现该功能。当电压小于18 V的干扰信号出现时，可以用电压选择电路把这部分信号滤掉。电压选择功能由电压比较器结合其他元器件共同组成的电路完成。可以通过调整积分电路中的电容、电阻的参数来控制累积能量的大小，也可以通过调整电压选择电路中电压比较器的参数来调整电压选择的门槛，以适用于不同的环境需求。能量判别电路和电压选择电路的参数可以灵活地设置，也可以联合使用，可以根据使用环境的不同进行相应的调整。

一般固体继电器的最小接通电压和最大关断电压相同，而且动作电压的范围很大，这一点对于武器系统中的火工品点火的控制十分不利，需要利用控制前端的电压选择电路，对输入的控制信号进行判别。当用28 V的电压来控制固体继电器的通断时，接通过程中，当控制电压低于18 V时，继电器不转换，当控制电压高于21 V时，继电器必须转换 （控制电压的持续时间小于3 ms的情况除外）；关断过程中，当电压高于18 V时不应关断，当控制电压低于8 V时，必须关断。

图1 电压选择电路工作原理示意图

4 结束语

固体继电器可靠性高、抗力学环境能力强，因而被广泛地应用在了火工品点火驱动电路中。然而，当将固体继电器应用到火工品点火的控制电路中时，继电器的漏电流和分布电容引起的耦合电压又会对火工品的安全性造成不良影响。针对这种情况，笔者提出了在固体继电器的控制端增加能量判别电路和电压选择电路来增强固体继电器的抗干扰能力的技术方案。在固体继电器控制端设置能量判别电路和电压选择电路后，固体继电器就具有了与电磁继电器类似的能量控制特性和电压选择特性，而且输入能量和电压的选择可以根据需要进行调整，这样不但能够抑制很高的尖峰电压引起固体继电器的误导通的情况[5]，而且能够防止电压幅值较低的干扰信号对固体继电器产生影响，使固体继电器具有了确定的、可选择的抗干扰能力。用户可以根据使用环境设置适合的抗干扰能力，从而为将固体继电器应用到控制火工品点火等涉及安全性的武器系统中提供了条件。

随着固体继电器技术的不断发展，近年来出现了一些智能固体继电器产品。这些产品设置了过热保护电路和过载保护电路[6]，在继电器因外电路短路等原因造成过载或过热时固体继电器能自动切断输出电路使继电器免于损坏。但是，在应用这类继电器时，要保证该继电器的输出断开不至于引起整机故障，否则，保护比不保护损失更大。建议根据实际需要，在条件允许的情况下，为关键继电器设置热备份，这样，在一个继电器因热保护或过载保护而关断后，另一只继电器能够承担该继电器的功能。

本文的前半部分分析了固体继电器应用在符合国军标要求的钝感火工品的控制电路时漏电流和分布电容引起的耦合电压对火工品点火安全性的影响，这里的分析结论不适合敏感火工品的点火电路控制。

[1]翟国富，樊薇薇，叶雪荣，等.具有回跳特征的电磁继电器动态反力计算模型 [J].电工技术学报，2009，24（1）：88-94.

[2]王恒玉，朱煜，戴治兴.光MOS固体继电器及其应用[J].机电元件，2011，31（5）：27.

[3]闫军政，赖耀康，高晓林.大功率控制继电器模块化设计 [C]//2010年中国电子学会第十六届电子元器件学年会论文集.2010：171-176.

[4]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.

[5]徐林，卡先彬，瞿国富.尖峰电压对固体继电器工作状态的影响分析 [J].低压电器，2008（23）：7-8.

[6]赵刚，利文兵.固体继电器智能化技术 [C]//2004年中国电子学会第十三届电子元器件学年会论文集.2004：264-265.

《电子产品环境与可靠性试验》杂志2012、2013年增刊出版和征订信息

随着工业和信息化科技与产品的迅速发展，质量与可靠性的科学技术渗透到工业和信息化的各个领域，可靠性与环境适应性问题也越来越受到广泛的关注。为了扩大可靠性与环境适应性技术的应用范畴，探讨技术发展趋势，推动科技工作的不断创新和持续发展以及成果交流，起到总结、提高、借鉴和促进的作用；并解决文稿积压过多、文章发表周期过长的问题，由工业和信息化部主管、工业和信息化部电子第五研究所主办的国内外公开发行、可靠性行业内具有权威性、影响力的专业科技期刊——《电子产品可靠性与环境试验》杂志在2012年5月、2013年11月以增刊的形式，出版论文集。两本增刊各收录了七八十篇论文，专业性强、技术先进、内容和信息丰富、设计精美，欢迎订阅。

《电子产品环境与可靠性试验》编辑部

The Application of Solid State Relay in W eapon System

DU Guang-yuan
（Beijing Electro-mechanical Engineering Institute，Beijing 100074，China）

With high reliability and strong ability to resistmechanical environment，solid state relay is widely applied to the ignition driving circuit of initiator.However，when applied to the ignition driving circuit of initiator，the leakage current and coupling voltage caused by distributed capacitance will bring bad influence on the security of initiator.According to this circumstance，by summarizing the influence of the characteristics of solid state relay on the ignition driving circuit of initiator，a technical proposal that energy discrim ination circuit and voltage selection circuit can be added to the control term inal of solid state relay to increase its anti-jamm ing capacity is proposed，which provides conditions for the application of solid state relay to the safety-related weapon systems.

solid state relay；initiator；security；energy discrimination circuit；voltage selection circuit

TM 58

：A

：1672-5468（2015）05-0028-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.007

2015-04-07

杜光远 （1961-），男 （满族），辽宁抚顺人，北京机电工程研究所研究员，主要从事电源系统设计、电气系统设计和综合电子集成技术研究工作。