摘要：在航天器用電設備中，多數器件由DC—DC模塊供電，部分由一次電源直接供電，DC—DC模塊作為用電負載也由一次電源供電，在DC—DC模塊及星載用電設備突然加電時(shí)，有可能產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，浪涌電流可達到上百安培，若不進(jìn)行有效控制，有可能對供電鏈路中配電設備的繼電器觸點(diǎn)造成損傷，甚至導致繼電器觸點(diǎn)粘連。文中從系統實(shí)際應用的角度出發(fā)，闡述了提高繼電器觸點(diǎn)抗浪涌能力的一種新穎保護電路，能夠確保規避繼電器觸點(diǎn)受到浪涌電流的沖擊，滿(mǎn)足繼電器用于航天產(chǎn)品中高可靠性的要求。
關(guān)鍵詞：浪涌電流；繼電器；保護

1 術(shù)語(yǔ)及定義
浪涌電流：用電設備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的大電流；
旁路電路：旁路用電設備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生大電流的電路；
ESL：電容器的等效串聯(lián)電感；
ESR：電容器等效串聯(lián)電阻。

2 浪涌電流產(chǎn)生的原因
通常情況下，在設備加電時(shí)，電容器是產(chǎn)生浪涌電流的主要原因，原理示意圖見(jiàn)圖1。

上圖中K1閉合后，電容器C開(kāi)始充電，若將直流電源、開(kāi)關(guān)K1以及連接的導線(xiàn)看作理想狀態(tài)(直流電源可提供足夠大的電流且內阻為零，K1接觸電阻為零，導線(xiàn)線(xiàn)阻為零)，在電容器充電瞬間，產(chǎn)生的浪涌電流可根據公式1進(jìn)行近似計算。
    
    式中：I——浪涌電流
U——直流電源輸出電壓
ESR——電容器等效串聯(lián)電阻
雖然電容電器ESL對輸入浪涌電流有一定的抑制作用，但電感量較小，抑制作用也較小，可忽略。通常電容器ESR均比較小，例如，在100kHz下測量，液體鉭電容器的ESR一般為幾百毫歐，聚脂電容的ESR一般為幾十毫歐，而陶瓷電容的FSR一般為幾毫歐。所以在電容器加電瞬間，會(huì )產(chǎn)生較大的浪涌電流。
以上是針對電容器在加電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流所進(jìn)行的分析，若其它設備或元器件在加電瞬間與電容器具有類(lèi)似特性，則同樣會(huì )產(chǎn)生較大的浪涌電流，如蓄電池在充電狀念下也會(huì )產(chǎn)生上百安培的浪涌電流。

3 旁路保護電路分析
浪涌旁路保護電路原理圖見(jiàn)圖2。

圖中：R1、R2、R3、R4、R5為電阻器；
C1、C2為鉭電容器；
G1為光耦器件；
VT1為P溝道MOSFET；
K1為繼電器觸點(diǎn)。
工作原理如下：
在驅動(dòng)信號接通后，線(xiàn)圈加電，繼電器的吸合為機械動(dòng)作過(guò)程，接通時(shí)間為5～15ms。
浪涌旁路保護電路與繼電器線(xiàn)圈同步接收驅動(dòng)信號，G1導通前，VT1柵極電壓與功率線(xiàn)輸入正端電壓U1相等，VT1為截止狀態(tài)。
G1導通后，功率線(xiàn)輸入正端電壓U1經(jīng)R2、R3為電容C1充電，C1在充電開(kāi)始階段，VT1柵極電壓通過(guò)公式1計算，忽略光藕器件的導通時(shí)間，此時(shí)VT1為導通狀態(tài)。
隨C1電壓不斷上升，VT1柵極電壓逐漸升高，當C1充電完成后，VT1柵極電壓與功率線(xiàn)輸入正端電壓U1相等，VT1為截止狀態(tài)，VT1管導通時(shí)間取決于R2、R3及C1參數與VT1管柵極閾值電壓，忽略光耦器件的導通時(shí)間(通常小于1μs)，導通時(shí)間通過(guò)公式(2)計算。
    
    式中：UGS(TH)為VT1管開(kāi)啟電壓；
C為電容器C1容值；
U1功率線(xiàn)輸入正端電壓；
t為VT1為導通時(shí)間。
通常，繼電器驅動(dòng)信號為脈沖信號，高電平持續時(shí)間t1為80ms，在脈沖信號為高電平時(shí)，忽略光藕器件的導通時(shí)間，VT1立即為導通狀態(tài)；在脈沖信號為低電平時(shí)，忽略光藕器件的截止時(shí)間，VT1立即為截止狀態(tài)。
根據以上分析，得到以下結果：
(1)在脈沖信號為高電平時(shí)，VT1立即導通；
(2)若通過(guò)公式(2)中計算出t小于驅動(dòng)信號高電平持續時(shí)間t1，則VT1導通時(shí)間可通過(guò)公式2計算出。
(3)若通過(guò)公式(2)中計算出t大于驅動(dòng)信號高電平持續時(shí)間t1，則VT1導通時(shí)間等于驅動(dòng)信號高電平持續時(shí)間t1。

4 仿真驗證
利用SABER軟件，得到R5處電路仿真結果見(jiàn)圖3。

通過(guò)仿真，可以看出，MOSFET管導通時(shí)間為80ms左右。
 

5 實(shí)驗驗證
實(shí)驗邊界條件如下：
(1)取R2=15kΩ，R3=15kΩ，C1=4．7μF、C2=10μF、R5=2．7Ω；
(2)P溝道MOSFET型號為IRF5210；
(3)繼電器采用3JB20-3型繼電器，單觸點(diǎn)額定電流為15A，觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間為6．4ms，線(xiàn)圈額定電壓為28V；
(4)設定功率線(xiàn)輸入正端電壓U1=28V，未采用浪涌旁路保護電路時(shí)，流過(guò)繼電器觸點(diǎn)K1的電流波形見(jiàn)圖4。

實(shí)際測試結果如下：
(1)脈沖驅動(dòng)信號高電平為28V，持續時(shí)間為80ms；
(2)流過(guò)繼電器觸點(diǎn)K1的額定電流值為10A，浪涌電流值最大為49．4A，幅值已超過(guò)了繼電器觸點(diǎn)的額定電流值，持續時(shí)間為4．8ms。
采用浪涌旁路保護電路后，流過(guò)繼電器觸點(diǎn)K1的電流波形見(jiàn)圖5。

實(shí)際測試結果如下：
(1)脈沖驅動(dòng)信號高電平為28V，持續時(shí)間為80ms；
(2)脈沖信號高電平建立6．4ms后繼電器觸點(diǎn)接通，流過(guò)繼電器觸點(diǎn)K1的電流值為3．6A，80ms驅動(dòng)信號為低電平，Q1截止，電流全部流過(guò)繼電器觸點(diǎn)，電流值為10A。
根據以上測試結果，浪涌旁路保護電路滿(mǎn)足設計要求，在功率線(xiàn)輸入正端電壓U1接通瞬間，由于電容器產(chǎn)生的浪涌電流被浪涌旁路保護電路旁路(浪涌電流持續時(shí)間為4．8ms)，在繼電器觸點(diǎn)接通(脈沖信號高電平建立后6．4ms)前，回路中電流值已恢復到額定電流值，能夠確保繼電器觸點(diǎn)安全。

6 結束語(yǔ)
通過(guò)分析及對比實(shí)驗，浪涌旁路保護電路能夠確保規避繼電器觸點(diǎn)受到浪涌電流的沖擊，滿(mǎn)足繼電器用于航天產(chǎn)品中高可靠性的要求，是一種提高繼電器觸點(diǎn)抗浪涌能力的一種新穎保護電路，該電路已應用于某衛星型號地面設備，取得了良好效果。