趙篤良，郭建章，劉理想，韋躍武

固體繼電器在火工品點火電路的應(yīng)用

趙篤良，郭建章，劉理想，韋躍武

（貴州振華群英電器有限公司，貴州 貴陽，550018）

為提高火工品點火電路抗沖擊、振動性能，針對固體繼電器固有的輸出電容及輸出漏電流特性，以及現(xiàn)有點火電路的測試方法造成的影響，對固體繼電器在火工品點火電路中的應(yīng)用進行了分析探討。以點火電阻的控制為例，通過對點火電路測試方法、固體繼電器上電及發(fā)火特性分析和測試方法的改進，得到固體繼電器可以應(yīng)用于火工品點火電路的結(jié)論；并且，對于有可靠性要求的點火電路，提出采用冗余設(shè)計方案，以提高電路接通、關(guān)斷的可靠性。

點火電路；固體繼電器；電磁繼電器；冗余；抗沖擊

固體繼電器使用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)元件，無動作部件、無機械觸點、無電火花產(chǎn)生，具有優(yōu)異的抗沖擊、振動性能[1-2]，而電磁繼電器在沖擊、振動狀態(tài)下存在誤動作的可能，因此固體繼電器正越來越多地用于軍事目的和安全生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是在電源控制和信號控制方面。

在火工品點火方面，固體繼電器也得到了一定的應(yīng)用。然而，有別于電磁繼電器，固體繼電器固有的輸出電容及輸出漏電流特性[2]，以及現(xiàn)有點火電路的測試方法造成的影響，使得部分點火系統(tǒng)的設(shè)計師對固體繼電器用于點火控制比較謹(jǐn)慎。本文以點火電阻的控制為例，詳細(xì)分析固體繼電器在火工品點火中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有點火電路測試方法及分析

火工品點火電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。點火電路常用的測試電路如圖2所示，測試方法為：點火電路不接火工品電阻R，示波器接火工品電阻R連接點，點火繼電器輸入端不加控制電源，輸出端加點火電源V[3-4]。測試開關(guān)閉合瞬間的波形，若示波器在閉合瞬間及之后顯示電壓波形接近0V，且在施加點火繼電器的控制電源后，示波器顯示電壓波形接近V，則認(rèn)為點火電路工作正常。

圖1 火工品點火電路

圖2 點火電路測試電路

圖2中若采用電磁繼電器，由于繼電器觸點為物理斷開，因而可以滿足上述的測試要求，但電磁繼電器在沖擊、振動狀態(tài)下存在誤動作的可能。固體繼電器采用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，無運動部件、無機械觸點、無電火花產(chǎn)生，具有優(yōu)異的抗沖擊、振動特性，可以有效避免沖擊、振動造成的誤動作。因此，有必要研究固體繼電器在火工品點火電路中的應(yīng)用。

固體繼電器采用直流功率半導(dǎo)體器件作為輸出器件，通過輸出器件的導(dǎo)通和截止完成繼電器的開關(guān)動作[5]。由于功率半導(dǎo)體器件的固有特性，固體繼電器在關(guān)斷狀態(tài)存在輸出電容C和輸出漏電流I。若圖1電路中的點火繼電器為固體繼電器，采用上述的測試方法，在繼電器關(guān)斷、接通的瞬間，示波器會檢測到1個電壓階躍跳變，然后逐漸衰減，直到接近0V。該波形與點火電路的寄生電感有關(guān)，寄生電感越小，階躍電壓的幅度越接近V，且衰減時間越長，可將該波形稱為上電脈沖。實測在開關(guān)閉合瞬間，示波器捕捉到幅度16V、衰減時間接近15ms的電壓波形，如圖3所示。測試用示波器探頭阻抗10MΩ，輸入電容12pF。

圖3 負(fù)載開路時上電脈沖

2 固體繼電器上電及發(fā)火特性分析

2.1 固體繼電器點火電路上電特性分析

直流固體繼電器多以增強型功率場效應(yīng)管（MOSFET）作為輸出開關(guān)器件，在驅(qū)動電路的作用下，場效應(yīng)管工作于開關(guān)狀態(tài)，其等效模型如圖4所示。圖4中，為MOSFET的等效開關(guān)，為MOSFET的體二極管，R為MOSFET漏電流所致的等效泄漏電阻，一般R都在幾MΩ以上。

圖4 MOSFET等效電路

當(dāng)固體繼電器輸入端無激勵信號時，MOSFET柵極無激勵電壓，由于C遠(yuǎn)大于C，可認(rèn)為V=0，柵源之間呈短路狀態(tài)；由于R遠(yuǎn)大于繼電器負(fù)載電阻R，故R的影響可以忽略，視同開路；在固體繼電器正向應(yīng)用時，MOSFET的體二極管處于反偏狀態(tài)，也可視同開路。MOSFET等效電路可簡化為圖5，其中C可從MOSFET的數(shù)據(jù)表查得。

用MOSFET組成的固體繼電器，其等效電路如圖6所示。簡化后的固體繼電器點火電路如圖7所示。

圖5 簡化后的MOSFET等效電路

圖6 直流固體繼電器等效電路

圖7 簡化的固體繼電器點火電路

令=R/(R+R)，=(R+R)×C，對一個固定的電路，和均為常數(shù)。OUT+與GND之間加點火電壓V，忽略電路中寄生電感的影響，當(dāng)=0時，閉合，則閉合之后點火電阻兩端電壓V與時間的關(guān)系為：

V()=×V×e-t/τ（1）

當(dāng)=t時，點火電阻兩端電壓下降至初始值的10%，t稱作上電脈沖的作用時間，則：

×V×10%=×V×e-tf /τ

t=×ln10=2.3（2）

點火電阻R承受的瞬時功耗()：

()=V2()/R=（（×V）2/R）×e-2t/τ

令=(×V)2/R，對一個固定的電路，亦為常數(shù)，則：

()=×e-2t/τ（3）

當(dāng)=∞時，上電脈沖消失，點火電阻承受能量E，則：

以某點火電路為例，其點火電壓V=28V，火工品限流電阻R=3Ω，點火電阻R=2Ω，點火繼電器為固體繼電器，以單只MOSFET作為輸出器件，MOSFET對應(yīng)型號為IRF2807，查MOSFET數(shù)據(jù)表，得到C=610pF。

查固體繼電器數(shù)據(jù)表得知，最大輸出電壓60V，最大漏電流10μA，計算的R為6MΩ，遠(yuǎn)大于火工品限流電阻與點火電阻之和，故可以忽略固體繼電器關(guān)斷狀態(tài)的輸出端電阻的影響。

根據(jù)上述條件，計算得：

=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

將上述值帶入式（1）～（4），得到：

（1）閉合之后點火電阻兩端電壓V與時間的關(guān)系為：

V()= 11.2 e-t/3.05（的單位為ns）

（2）上電脈沖的衰減時間：

t=2.3=2.3×3.05=7.015 ns

（3）上電脈沖持續(xù)期間施加于點火電阻的瞬時功率：

()=×e-2t/τ=62.72×e-2t/τW

（4）上電脈沖施加于點火電阻的能量：

E=/2=62.72×3.05×10-9/2≈9.6×10-8J=96nJ

點火電阻R的發(fā)火參數(shù)見表1。

表1 點火電阻的發(fā)火參數(shù)

根據(jù)表1可計算點火電阻安全能量的允許最大值為：

E=I2×R×t=0.32×2(1-10%)×10=1.62 J

既只要施加到點火電阻的能量不超過1.62J，則點火電阻就不會被激發(fā)，而上電脈沖提供的能量僅有96nJ，遠(yuǎn)小于安全能量允許的最大值，因此，在點火電源上電瞬間產(chǎn)生的上電脈沖不會造成點火電路的誤動作。

2.2 點火電路的上電測試結(jié)果分析

分析圖2的測試電路以及圖3的測試波形，應(yīng)是測試方法不適合固體繼電器點火電路特點所致。首先，點火電路中的固體繼電器最大輸出電壓60V，輸出漏電流實測不超過0.02μA，則其等效泄漏電阻R=3 000MΩ，遠(yuǎn)大于示波器探頭阻抗，R相當(dāng)于開路，可被忽略；其次，示波器探頭的輸入電容為12pF，遠(yuǎn)小于場效應(yīng)管的C，示波器的輸入電容也可被忽略。因此，圖7的電路模型仍然可以適用于測試電路的分析。

用示波器的輸入阻抗R取代R，計算可得：

=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

將上述值帶入式（1）～（4），得到：

（1）閉合之后示波器探頭兩端電壓V與時間的關(guān)系為：

V()= 28×e-t/0.61（的單位為ms）

（2）上電脈沖的衰減時間：

t=2.3=2.3×0.61=1.403 ms

（3）上電脈沖持續(xù)期間施加于示波器兩端的瞬時功率：

()=×e-2t/τ=78.4 e-2t/0.61μW

（4）上電脈沖施加于示波器兩端的能量：

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

計算所得示波器探頭兩端電壓V與時間的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 示波器兩端電壓與時間關(guān)系曲線（計算值）

比較圖3和圖8可見，二者基本接近，稍有差異。造成差異的原因是由于計算時忽略了電路中的寄生電感。通過計算結(jié)果可以看出，盡管在點火電源上電期間電壓沖擊的幅度較大，但由于持續(xù)時間很短，其沖擊能量遠(yuǎn)小于點火電阻的安全能量，說明對于固體繼電器組成的點火電路，上電脈沖不會造成點火電阻誤發(fā)火。

2.3 固體繼電器點火電路的發(fā)火

固體繼電器點火電路應(yīng)滿足相應(yīng)國軍標(biāo)和點火電阻產(chǎn)品數(shù)據(jù)表要求。參照QJ 2138A-2004 爆炸螺栓通用規(guī)范[6]4.3.3.2條“工作電流應(yīng)大于最小全發(fā)火電流的1.2倍”的規(guī)定，并根據(jù)表1“最小發(fā)火電流1.5A”的要求，繼電器導(dǎo)通后，流過點火電阻的電流，應(yīng)不小于1.8A。圖1中固體繼電器的接通電阻不大于30mΩ，相對于點火電阻可以忽略。則當(dāng)固體繼電器接通后，若流過點火電阻的電流為I，則：

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

I>1.8A，滿足點火電阻的要求，可以可靠發(fā)火。

2.4 固體繼電器點火電路的測試方法

對圖2的測試方法進行改進，進行測試時在點火電阻的接入端加等阻值負(fù)載電阻，即可模擬點火電路工作的真實狀況，避免因測試方法的差異造成誤判。

3 點火電路的冗余設(shè)計

GJB 1307A-2004航天火工裝置通用規(guī)范[7]第3.4.6.1條規(guī)定“關(guān)鍵性的火工裝置，應(yīng)采用冗余技術(shù)，排除單點失效，任一單個起爆元件的失效，不會造成火工裝置功能的失效?？赡芮闆r下應(yīng)使用冗余火工裝置完成同一功能。在系統(tǒng)只允許使用一個火工裝置的情況下，宜采用兩個起爆元件……”。因此大部分火工品點火電路，都采用冗余設(shè)計。

3.1 繼電器接通冗余設(shè)計

為了保證點火電路的可靠激發(fā)，一般采用接通冗余，即把2個固體繼電器輸入端并聯(lián)，2個固體繼電器的輸出端并聯(lián)在一起，2個固體繼電器同時觸發(fā)，電路如圖9所示。

由圖9可以看出，即使其中一路固體繼電器出現(xiàn)故障，使得觸點不能可靠接通，另一路固體繼電器的觸點也能接通，保證了接通的可靠性。

3.2 繼電器關(guān)斷冗余設(shè)計

對于要求可靠“熄火”的應(yīng)用，一般采用關(guān)斷冗余，即把2個繼電器輸入端并聯(lián)在一起，輸出端的2個觸點串聯(lián)在一起，同時觸發(fā)，電路如圖10所示。由圖10可以看出，即使其中一路繼電器故障使得觸點不能可靠關(guān)斷，另一路繼電器的觸點也能關(guān)斷，保證了關(guān)斷的可靠性。

3.3 繼電器接通關(guān)斷冗余

對于既要求可靠接通，又要求可靠關(guān)斷的點火電路，可先將4個固體繼電器兩兩并聯(lián)，組成圖9所示電路，然后再將并聯(lián)后的繼電器輸出電路串聯(lián)在一起，組成圖11所示的電路。

圖11中4個繼電器的輸入端并聯(lián)在一起，同時觸發(fā)，即使任一只固體繼電器發(fā)生故障，不能正常接通或關(guān)斷，其它固體繼電器仍可實現(xiàn)接通和關(guān)斷，保證整個電路正常接通或關(guān)斷。

3.4 固體繼電器和電磁繼電器組合冗余點火電路

對沖擊、振動以及上電脈沖要求較高的用戶，采用固體繼電器和電磁繼電器組成復(fù)合繼電器點火冗余電路，會實現(xiàn)最佳效果。用電磁繼電器替代圖10電路中的2或圖11電路中的3、4，利用電磁繼電器的物理隔離，可以有效避免上電脈沖造成的干擾，同時，用固體繼電器優(yōu)異的抗沖擊、振動特性，避免沖擊、振動造成的繼電器誤動作，最大程度上實現(xiàn)了優(yōu)勢互補及電路設(shè)計冗余。

4 結(jié)語

通過研究可見，固體繼電器可以應(yīng)用于火工品點火電路，點火電源上電瞬間產(chǎn)生的上電脈沖，不會造成點火電路的誤激發(fā)；在控制端施加激勵信號后，點火電阻可以可靠發(fā)火。針對電磁繼電器抗沖擊振動能力差的問題，采用固體繼電器點火電路具有更高的可靠性。對于有可靠性要求的點火電路，采用冗余設(shè)計，可以提高電路動作的可靠性，同時，采用固體繼電器和電磁繼電器組成復(fù)合型冗余電路，可以實現(xiàn)固體繼電器和電磁繼電器的優(yōu)勢互補。

[1] 佟為明,翟國富,等. 低壓電器繼電器及其控制系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[2] 吳義彬.繼電器用戶實用手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1992.

[3] 劉浩,楊薇秀,朱元元,楊志遠(yuǎn),任斌.航天器火工品點火電路誤觸發(fā)防護設(shè)計[J].火工品,2019(4):19-22.

[4] 杜光遠(yuǎn).固體繼電器在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2015,33(5):28-31.

[5] 朱耀君,徐東興.淺談固體繼電器的接通和關(guān)斷電壓[J].國外電子元器件,2008(11):86-88.

[6] QJ 2138A-2004 爆炸螺栓通用技術(shù)條件[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,2004.

[7] GJB 1307A-2004 航天火工裝置通用規(guī)范[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,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

趙篤良（1965 -），男，高級工程師，主要從事固體繼電器新產(chǎn)品的研發(fā)及管理工作。