陈炳林，刘成旭，金少华

（上海沪工汽车电器有限公司，上海 201804）

随着汽车工业技术的发展，人们对于汽车舒适度要求越来越高，固态继电器 （Solid State Relay）具有质量轻、无噪音、寿命长等优点越来越受到汽车领域的青睐。固态继电器有很多性能指标，比如开通电压、关闭电压、输出电流、导通压降、静态电流、开通和关闭响应时间等，在固态继电器诸多性能指标中，开通和关闭的响应时间直接影响到继电器的精度和热功耗，该性能指标是固态继电器的主要性能指标。在固态继电器的电路设计中，由于影响固态继电器该性能参数的因素比较多，设计仿真比较复杂而且成本较高，本文把试验设计方法DOE（Design Of Experience）应用于固态继电器的设计过程中，经过深入研究，通过理论计算和实际验证，提出了一种优化汽车固态继电器设计的新方法。该方法采用DOE的正交试验设计法，提出了影响固态继电器性能两个性能指标：开通和关闭的响应时间，并归纳出影响这两个性能指标的6个关键因素，对6个影响因素水平进行试验优化，提升固态继电器的这两个性能指标，然后调整参数水平，进行对比分析，得出影响固态继电器该性能指标的6个因素最佳值；最后通过实际的试验对固态继电器该性能指标影响的6个因素值进行验证，验证DOE方法得出的6个参数的合理性。该方法解决了在固态继电器设计过程中，由于影响因素过多带来设计成本高、设计周期长的问题。

1 固态继电器工作原理及试验因子

图1是固态继电器的原理框图，图中主要有4个引脚，SIG1和SIG2为输入信号，IN为电源输入端，OUT为固态继电器输出端。IC1和IC2组成桥式输入电路，U1是功率驱动模块。当输入信号SIG1和SIG2有压差时 （压差为4 V左右），固态继电器输出。固态继电器开通和关闭的响应时间很大程度上决定了固态继电器输出性能，尤其是在PWM（Pulse Width Model）输出模式下。由于IC1和IC2组成了桥式工作电路，SIG1和SIG2是对称输入信号，当SIG1为高时，SIG2为低边驱动，如果是输入信号为PWM信号，那么影响开通和关闭响应时间两个性能指标的因素有C1、R4、C4、C5、C2、R5。C1和R4在SIG1和SIG2两个信号端，输入信号的变化过程中的快慢取决于C1和R4之间的充放电的时间；在IC1和IC2桥式电路中，高频信号对于整个桥式电路而言是断路，信号是通过电容进行，C4和C5的大小也影响固态继电器的两个性能；C2和R5的原理如同C1和R4一样也形成一个RC充放电回路，充放电时间也会影响固态继电器的两个性能指标。

图1 固态继电器原理框图

影响因子如表1所示。

表1 试验因子及初始值表

根据前文确定固态继电器性能指标为开通响应时间和关闭响应时间，假设开通响应时间为RST1，关闭响应时间为RST2，输入信号频率为100 Hz，占空比为50%的PWM信号。定义固态继电器开通响应时间RST1为开通信号输入的时间与固态继电器开通输出的时间差；定义固态继电器关闭响应时间RST2为关闭信号输入的时间与固态继电器关闭输出的时间差。固态继电器这个两个时间RST1、RST2，这个值越小表示固态继电器输出响应时间越快，理想值为0 s。如表2进行试验时目标响应对应关系。

表2 目标响应对应关系

2 DOE正交试验设计

正交试验设计是DOE的基本方法，它是根据均衡分布的思想运用组合数学理论构造的一种方法，一般情况下正交表可以写成La（bc），其中L是表示正交表，a表示正交试验次数，b表示因素水平数，c表示因素数。

本次固态继电器试验目标为优化试验参数，考虑到可能需要多次重复试验，试验不能太复杂，水平数不能太高，而另一方面希望尽快找出满意的结果，因此，选取因数为5个水平，因素的选取是在初始最大最小值之间尽量均匀，考虑到实际元器件的值并不能完全的连续。根据分析本试验选择正交为L25（56）的试验，试验次数25次，6个因素数，5个因数水平。在范围内取常规的元器件规格，因素水平表如表3所示。

表3 因素水平表

根据DOE正交表中规则，采用6因子5水平的方式进行正交试验。通过Minitab软件工具生成正交试验表，并在最后列表增加目标响应列，然后根据Mintab软件建模生成的实验表通过软件Multisim仿真软件进行仿真，得出Y1（μs）和Y2（μs）的值，如表4所示。

3 DOE正交试验结果分析

1）正交试验结果比较分析法

表4的实验结果通过比较可以分析，影响Y1试验结果的最佳组合是A1B1C1D1E1F1，该值为18.32 μs，在经过观察和比较该试验数据中接近最优的值都是有E1，这说明E1是影响Y1的最佳因素。影响Y2试验结果的最佳组合是A2B3C4D5E1F2，该值为100.98 μs。

2）正交试验结果极差值分析法

在正交试验中，我们可以通过极差值来对试验结果进行分析，表5中是在MinTab建模后的极差值分析结果。在极差值的分析表中，Y1的I值A1对应因素对应每一个影响度Y1的值和，可以用公式

式中：Ii——第i水平对应的数据和；k——因素。

那么第k因数对应的极差值为：

比如：I=18.32+24.37+28.13+34.67+44.56=150.05，表示A1因素对性能参数目标的影响程度；II=33.03+52.17+19.79+28.21+27.39=160.59，表示A2因素对性能参数目标的影响程度。Ri是因素A在不同值下对性能参数目标的影响波动，例如：R1=172.93-150.05=22.88。T表示Y1在每一个因素平均值之和。

从表4的试验结果通过极差值可以得到表5，从表5可以看到对性能参数Y1影响顺序为EAFCDB，对Y2影响的顺序为EFCBAD。

3）正交试验结果均值法分析结果

图2是根据正交试验结果，用Mintab软件对试验结果进行均值法分析，从图表可以看出每一个因素在每一个水平上的趋势。从图2中可以看出每一个因素在每一个水平上对Y1的影响趋势：因素E的影响趋势最明显，E的值越小，Y1的值就越好；因素F是值越小，Y1的值就越好。从图2中可以看出因素E的值越小，Y2的值就越好；因素F值越小，Y2的值就越好。

根据以上3种方法的分析结果，可以看出因素A的水平因子3最优，它既满足了Y1比较小，也满足了Y2比较小，可以选A3；因素B对Y1的影响不大，对Y2来说只是有微小波动，可以选B2；因数C和D对Y1也是影响不大，对Y2的影响有一些波动，可以选C1、C3和D2和D4；因素E和F分别选E1和F1两个水平。

这样我们可以得出以下ABCDEF五个因素的几个水平组合 ： A3B2C1D2E1F1、 A3B2C1D4E1F1、 A3B2C3D2E1F1、A3B2C3D4E1F1。

表4 正交试验表及试验结果

表5 极差分析结果

4 模拟仿真验证

根据以上DOE综合分析得出的4种组合A3B2C1D2E1F1、A3B2C1D4E1F1、A3B2C3D2E1F1、A3B2C3D4E1F1， 通 过Multisim进行模拟仿真。

图3是组合A3B2C1D2E1F1的仿真结果，从仿真结果可以看出，Y1的值是18.161 μs，Y2的值是54.259 μs；图4是组合A3B2C1D4E1F1的仿真结果，Y1的值是18.011 μs，Y2的值是54.010 μs；图5是组合A3B2C3D2E1F1的仿真结果，Y1的值是18.858 μs，Y2的值是58.963 μs；图6 是组 合A3B2C3D4E1F1的仿真结果，Y1的值是18.847 μs，Y2的值是58.952 μs。从以上的仿真结果分析与DOE正交分析方法得出结论一致：因素C、D是影响Y1和Y2的次要因素；因素A、B、E、F是影响Y1和Y2的主要因素，尤其是因素E和F是影响Y1和Y2尤为严重，所以在产品设计中，在满足产品的其他性能指标的情况下尽可能减小E和F的值。由于篇幅有限就不再做去除因数C和D后再次对A、B、E、F四个因数进行重新DOE正交分析。

图2 Mintab均值分析结果

图3 组合A3B2C1D2E1F1的仿真结果

5 试验测试验证

为了进一步验证DOE的分析结论，用实际的产品对最佳组合A3B2C1D4E1F1进行实际测试，然后对比模拟仿真的结果。由于模拟仿真采用的元器件的模型是理想状态下的模型，比如电容器件只考虑它的电容特性，不考虑它的电感特性和电阻特性；电阻器件只考虑它的电阻特性，不考虑它的电容特性和电感特性，所以实际测试会与模拟仿真的结果有出入。图7是按照A3B2C1D4E1F1进行的实际测试的开通响应时间为18.80 μs，图8是是实际测试的关闭响应时间为58 μs，实测的固态继电器开通和关断响应时间与按照DOE正交分析优化的结果一致。

6 结论

固态继电器的产品设计过程中，影响固态继电器开通和关闭响应时间的参数较多，而且都是非线性的，如果通过模拟仿真或直接实际电路进行优化，工作量非常大而且效果不好。本文提出用DOE正交分析的方法来优化固态继电器性能参数，提高了效率和准确性，并通过模拟仿真和实际测试对优化结果进行了验证，证实了DOE在固态继电器优化设计中准确性和实用性，为该类产品的设计提供了一种新的优化设计思路和方法。

图4 组合A3B2C1D4E1F1的仿真结果

图5 组合A3B2C3D2E1F1的仿真结果

图6 组合A3B2C3D4E1F1的仿真结果

图7 实际测试的开通响应时间

图8 实际测试的关闭响应时间