3.4 隔离电路的设计
限时保护继电器的输入端控制电流很低， 而输出电流很大， 所以， 它们之间必须进行电隔离， 其隔离电路的原理图如图7 所示。本电路中采用振荡电路的变压器耦合隔离。变压器耦合隔离主要由高频振荡电路、变压器耦合电路和整流电路组成。高频振荡电路采用双端推挽自激振荡输出， 它比单端输出更能提高输入能量的转换效率。提高振荡频率， 使其达到50kHz ~200kHz， 实现快速响应。
隔离变压器磁芯是本电路的关键器件， 直接关系到电路的特性和转换效率。根据材料特性与本电路的特点， 并通过反复试验， 采用Mn-Zn 高磁导率铁氧体材料作为隔离变压器磁芯。在选择铁氧体材料时要考虑如下几个方面：
⑴ 磁导率和饱和磁通密度要高， 可减少线圈匝数， 减小内阻， 减小磁环体积；
⑵ 矫顽力要小， 减小磁滞损失；
⑶ 电阻率要高， 减小涡流损耗；
⑷ 合理选择居里温度， 提高磁环的综合性能。
隔离电路设计的另一个关键是振荡电路的设计， 在本电路中振荡电路如图6 所示。在隔离的输入与输出确定后， 通过下列方式对振荡电路进行优化设计。
⑴ 调整RC 值， 改变振荡频率， 测试输出参数， 并计算耦合效率η， 直至η最大；
⑵ 调整变压器线圈匝数， 测试输出参数， 并计算耦合效率直至最大。
同个隔离电路耦合后的电流信号为交流信号，经过整流桥电路D1、D2 整流后， 为驱动电路提供工作电流。
3.5 驱动电路的设计
驱动电路直接给输出电路供电， 输出电路的功率场效应管必须由恒压源驱动。因此， 选择高精度限流电阻提供功率管工作所需要的工作电流。工作电流经过R13、V11 形成回路， V11 为15V 稳压管， 确保提供给输出电路的场效应管驱动电压为15V 恒压源。R14、C5 形成一个放电回路， 当限时保护继电器不工作时， 由于输出端功率场效应管的电容效应， 会在功率场效应管的G 端积累电荷，会影响到功率场效应管的寿命， 通过R14、C5 形成的回路可以释放掉功率器件积累的电荷， 保护功率器件， 见图8 所示。
3.6 串联输出电路的设计
输出电路包括功率场效应管、串联保护回路和吸收电路。
⑴ 功率场效应管的选择
功率场效应管是限时保护继电器的核心部件，选择合适的功率场效应管是设计成功的关键。本产品中的功率器件可选用的类型主要有功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、双极晶体管和达林顿晶体管。MOSFET 耐压高， 输出电流大， 漏电流小， 导通管压降低， 驱动功率小， 体积小， 故作为限时保护继电器的功率器件比较合理。
根据限时保护继电器的应用特点， 应选用低电压降型的MOSFET.功率器件的类型确定以后， 具体型号的选择可根据额定输出电压、额定输出电流、输出电压降、体积及市场情况， 遵循以下原则：
以24V 5A 限时保护继电器为例， 功率器件选用耐压250V、电流46A 的MOSFET.
⑵ 串联保护回路的设计
根据图9 的电路原理图所示， 通过电磁继电器K 与功率场效应管Q1 串联， 当限时保护继电器不工作时， 电磁继电器K 的触点断开， 功率场效应管的两端无电压。因此， 发动机系统产生的电磁干扰不会对功率场效应管Q1 产生影响； 当限时保护继电器加电工作时， 电磁继电器的吸合时间为10ms， 而功率场效应管的吸合时间为延时滤波时间200ms， 因此， 吸合时电磁继电器K 在不带电的情况下先吸合； 当限时保护继电器断电时， 由于功率场效应管的关断时间快， 为2.5ms， 因此， 关断时电磁继电器K 在不带电的情况下后关断， 通过此电路设计， 可确保电磁继电器不会出现带电切换的情况， 即不会出现电弧情况， 可确保电磁继电器K 稳定工作。
⑶ 吸收电路
限时保护继电器在关断时产生的干扰电压峰值较高， 因此， 在输出电路中增加吸收电路对功率场效应管Q1 进行保护， 本电路中采用VRC 吸收电路。其中， V12 为快恢复二极， 管R15 为功率电阻， C6 为高频无感电容。Q1 导通时， V12 反偏，C6 通过R15 放电， R 消耗能量并限制放电电流；Q1 关断时， C6 通过V12 吸收干扰电压， 使Q1 的尖峰电压不会过高。
Q1 在关断时产生的干扰电压较高， 可由下式进行计算：
式中， Vcep为集-射极间的尖峰电压， 单位为V; Vcc为负载电源电压， 单位为V; L 为主电路和引线电路电感之和， 单位为H; di/dt 为MOSFET集电极电流变化速率， 单位为A/s.
由此可见， 在大电流、关断速度很快时， 尖峰更大。因此， 在输出电路中增加吸收电路对MOSFET进行保护。VRC 吸收电路中R、C 由下式进行计算：
4 结束语
本文介绍了固体式限时保护继电器的电路设计， 并详细介绍了输入电路设计、延时滤波电路设计、限时保护电路设计、隔离电路设计、驱动电路设计、串联输出电路设计， 并经过技术攻关， 研制出JGD24 -5 型固体式限时保护继电器。经试验验证， 其各项技术指标均达到了该方案的设计要求。