Современные тенденции развития твердотельных реле

Введение

С развитием силовой полупроводниковой электроники, т.е. с конца 60-х годов ХХ века, у инженеров, занятых в отрасли высокотехнологичной промышленности, появилась возможность использовать в своих разработках полупроводниковые реле, которые благодаря отсутствию механического контакта, способны обеспечивать бездуговую коммутацию электрических цепей и тем самым повышать, как ожидалось, надежность и продолжительность эксплуатации средств связи, технологического оборудования, систем телемеханики, автоматического управления и т.д.

Учитывая уровень развития оптоэлектронных и магнитоуправляемых полупроводниковых приборов, на сегодняшний день созданы технические решения, которые вплотную приблизили твердотельные реле (ТТР) по параметрам к электромагнитным. А по некоторым параметрам твердотельные реле намного превосходят реле электромагнитные.

Полупроводниковые и электромагнитные реле коммутируют сопоставимые токи и напряжения и могут работать в практически сопоставимых диапазонах температур, но при этом твердотельные реле имеют свои особенности, как при проектировании устройства, так и при его использовании, которые многие разработчики при неправильном или неумелом использовании воспринимают как недостатки и часто прекращают использование твердотельных реле в своих разработках.

В данной статье сделана попытка классифицировать выпускаемые на сегодняшний день ТТР, отобразить существующие сложности, возникающие у инженера, использующего в своих разработках реле на основе полупроводников, отразить рекомендации по проектированию устройств с использование ТТР на основании данных полученных при разработке и исследованиях в ЗАО «Электрум АВ». Сделан обзор перспективных разработок в области ТТР фирмой «Электрум АВ», улучшающих характеристики ТТР и переводящих эти устройства в разряд интеллектуальных, позволяющих использовать реле в новой для них ипостаси.

Область применения твердотельных реле

Область применения твердотельного реле определяется типом полупроводникового прибора коммутирующего элемента: для коммутации цепей постоянного тока это  полевые и IGBT-транзисторы, коммутация переменного тока более эффективно осуществляется c применением тиристорных структур. Если в качестве коммутирующего элемента используется полевой транзистор, то его проводящее свойство в замкнутом состоянии оценивается величиной электрического сопротивления, если же в качестве ключа используется IGBT транзистор или схема на тиристорах, проводящие свойства в замкнутом состоянии характеризуются величиной падения напряжения на нем. Обе эти величины, в общем случае, являются функцией протекающего через коммутирующий элемент тока и зависят от типа примененного полупроводникового прибора и его характеристик.

Когда коммутирующий элемент замкнут, он характеризуется наличием тока утечки и падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, что накладывает ограничение при определении нижних уровней коммутируемых токов и напряжений. Как правило, при коммутации переменного тока, нижний уровень коммутируемого тока не должен быть меньше десятикратной величины тока утечки, а минимальное коммутируемое напряжение должно быть не меньше десятикратной величины падения напряжения на тиристоре для поддержания минимального тока удержания и отсутствия эффекта случайного выключения тиристора. При коммутации постоянного тока, если используется MOSFET или IGBT транзистор, то эта проблема не играет столь существенной роли и поэтому нижние уровни тока и напряжения приближены к нулю.

Для правильного и безопасного использования твердотельного реле важнейшее значение, наряду с номинальными характеристиками, имеют характеристики перегрузки его коммутирующего элемента. Показателем способности перегрузки коммутирующего элемента, является возможность выдерживать кратковременное увеличение тока через коммутирующий элемент без его повреждения, в течении определенного времени, при нормированной температуре корпуса и окружающей среды. Так, например, если в качестве коммутирующего элемента используется схема на тиристорах, то для них перегрузочная способность составляет 10-ти кратное превышение тока при длительности импульса 10 мс. Если же в качестве ключа используется IGBT транзистор, то он способен в течении 10 мкс выдержать практически короткое замыкание, но полностью не способен выдержать сколько-нибудь значимое перенапряжение коллектор-эмиттер.

Также в реальных условиях работы, твердотельное реле подвергается воздействию импульсов напряжения с высокой скоростью изменения фронтов du/dt. И если транзистор можно считать малочувствительным к этому эффекту (современный уровень технологии изготовления MOSFET и IGBT транзисторов позволяет изготовлять транзисторы с du/dt не менее 4¸6 В/нс), то при использовании тиристоров появляется опасность самопроизвольного включения коммутирующего элемента при определенных скоростях изменения напряжения в нагрузке. Производитель  твердотельных реле указывает величину du/dt, при которой самопроизвольного включения реле не происходит, обычно это значение лежит в диапазоне 300¸500 В/мкс.

При оценке необходимого быстродействия твердотельного реле нужно принимать во внимание свойства и показатели всех технических средств, использованных в его конструкции и поэтому учитывать быстродействие только самого силового коммутирующего элемента не совсем правильно. Как правило,  в ТТР для коммутации переменного тока устанавливают диапазон рабочих частот 40¸400 Гц, что дает возможность использовать эти реле как в промышленности, так и для подвижных объектов, где применение источников электропитания на 400 Гц более предпочтительно. Из всего сказанного, вытекает, что использование ТТР на более-менее мощную нагрузку, накладывает ограничение на совместимость работы в реальных электрических схемах, в связи с наличием переходных процессов и инерционности тех исполнительных механизмов, цепи управления которых, коммутирует ТТР. Это, как правило, электродвигатели, электромагнитные клапаны и муфты, всевозможные нагревательные приборы и лампы накаливания. В общем, временной диапазон, характеризующий быстродействие ТТР очень широк: от единиц микросекунд до десятков миллисекунд.

И, пожалуй, самый главный аспект, с которым необходимо считаться при выборе твердотельного реле – твердотельное реле при своей работе выделяет тепло, которое необходимо отводить для обеспечения работоспособности реле и сохранения его характеристик. Следовательно, при использовании твердотельного реле всегда необходимо проводить тепловой расчет, с целью выбора необходимых и достаточных средств охлаждения. Как правило, производители твердотельных реле указывают в своей документации всю необходимую информацию для проведения теплового расчета и даже более того, предоставляют возможность приобрести совместно с реле тот охладитель, который будет обеспечивать нормальную  бесперебойную работу реле с характеристиками соответствующими документации на реле.

На основании представленных данных можно сформулировать основные области применения для твердотельных реле:

- маломощные реле предназначенные, как правило, для монтажа на печатную плату, с коммутируемыми токами до 5 А. Такие реле, как правило, выполняются на MOSFET или IGBT транзисторах и предназначены для коммутации постоянного тока, в различных схемах согласования входных цепей силовых машин, различного рода контроллеров с промежуточными исполнительными механизмами. Для этих реле характерно очень высокое быстродействие (вплоть до единиц микросекунд), низкая энергоемкость управления, способность выдерживать длительный номинальный ток без применения дополнительных средств охлаждения.

- реле средней мощности, с коммутируемыми токами в несколько десятков ампер и  большой мощности, с коммутируемыми токами до 320 А, предназначенные для монтажа на панель. Эти реле в зависимости от используемого полупроводникового элемента коммутируют постоянный ток (MOSFET или IGBT транзисторы) или переменный (тиристорные структуры). Реле выполненные на MOSFET или IGBT транзисторах способны выдерживать пиковое напряжение (с учетом возможных перенапряжений) для MOSFET до 400 В, а для IGBT до 1700 В и номинальными токами до 320¸400 А. Реле выполненные с использованием тиристоров способны выдерживать пиковое напряжение до 1600 В и с коммутируемыми токами до 320 А переменного однофазного тока и до 120 А переменного трехфазного тока, с высокой устойчивостью к нарастаниям тока и напряжения. При использовании реле этой группы на номинальные токи их необходимо устанавливать на охладители, для поддержания температурного режима и предотвращения выхода реле из строя.

Расчетные соотношения

Исходя из вышеперечисленных соображений по условиям работы ТТР и характеристикам, влияющим на надежность работы, можно выделить три локальных фактора, которые необходимо учесть при выборе и эксплуатации реле, правильный расчет которых, поможет избежать подавляющего числа отказов, при эксплуатации ТТР:

- перенапряжение;

- перегрузка по току;

- перегрев реле из-за недостаточного отвода тепла.

Перенапряжение

При эксплуатации практически любого оборудования возникают колебания напряжения в электрической сети. Как правило, перенапряжения возникают при пуске и останове электродвигателей, мощных нагревателей, контакторов, мощных тиристорных регуляторов и т. д. Превышение пробивного напряжения практических всех полупроводниковых приборов, используемых в качестве силового ключа в реле, приводит к его выходу из строя и разрушению. Как следствие, необходимо защищать выходные цепи ТТР от перенапряжений для предотвращения его выхода из строя. Существует два основных механизма защиты от перенапряжений: механизм фиксации пробивного напряжения с использованием стабилитронов и варисторов; и механизм шунтирования защищенных цепей, представляющих собой, как правило, комбинацию силового элемента (тиристора, IGBT или MOSFET транзистора) со стабилитроном в цепи управления силовым элементом.

Как правило, производитель закладывает в свои реле механизм шунтирования нагрузки, и если при эксплуатации нагрузка, которую коммутирует реле, допускает кратковременные скачки тока, при перенапряжении, то вне зависимости от величины энергии перенапряжений, можно ограничиться этой защитой, если же нагрузка не допускает отработки перенапряжений, то необходимо использовать механизм фиксации напряжения с помощью стабилитрона или варистора. Следует отметить, что варистор позволяет рассеивать намного большие мощности, чем стабилитрон, но для него характерна деградация характеристик, при чрезмерно интенсивных режимах перенапряжений.

Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольтамперная характеристика, см. рисунок 1.

Рисунок 1 - Типичная ВАХ варистора.

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, параллельно которой он включен, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но "срезает" импульсы опасного напряжения.

Одной из характеристик варистора является классификационное напряжение ( Uкл)- это напряжение при определенном токе. Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при токе 1мА.

В России наиболее массовое производство малогабаритных варисторов организовано на Ухтинском заводе "Прогресс" Защитные варисторы типов: ВР-1; ВР-2; СН2-1; СН2-2 имеют классификационные напряжения в диапазоне от 68 до 1500 В (Iкл = 1 мА), энергию рассеивания от 10 до 508 Дж и коэффициент нелинейности больше 30 (более 22 для ВР-1).

Расчет рабочего режима варистора, для защиты с его помощью ТТР, в силу его высокой нелинейности не является тривиальной задачей. Цель такого расчета - оптимальный выбор значения классификационного напряжения варистора. Важнейшим параметром при этом является рабочий ток, который должен быть минимальным и не приводить к перегреву варистора. С другой стороны при слишком малом рабочем токе варистора увеличивается напряжение, ограничиваемое варистором при возникновении импульса напряжения и варистор, по сути, не будет выполнять свою основную функцию и на силовой ключ, который должен защищать варистор, будет воздействовать слишком большое перенапряжение, способное вывести реле из строя.

Выбор типа используемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на основе анализа работы варистора в двух режимах: в рабочем и в импульсном.

1. Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении данным, приведенным в технической документации на используемый варистор, такого классификационного напряжения, для которого длительное максимальное напряжение на нагрузке наиболее близко к табличному значению, но не превосходит его.

2. Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете максимальной мгновенной энергии по формуле (1):

На основании полученного значения из технической документации на варистор выбирают тип варистора, способный рассеивать мощность, выделяющуюся при перенапряжении.

Также в качестве элемента, реализующего механизм фиксации перенапряжения, наряду с варисторами используют полупроводниковые ограничители, так называемые TVS-диоды. Полупроводниковые диодные ограничители напряжения фиксируют заданный уровень напряжения на защищаемом устройстве. При превышении рабочего напряжения происходит обратимый лавинный пробой диода, он переходит в состояние с низким динамическим сопротивлением. В этом состоянии диодный ограничитель отводит импульсный ток перегрузки от защищаемого объекта и поглощает выбросы напряжения, превышающие напряжение пробоя. Время реакции на перенапряжение составляет несколько наносекунд (зависит от конструкции), импульсный ток — до сотен ампер, импульсная мощность - более 1 кВт, фиксируемое напряжение 3¸440 В, емкость менее 50 пФ. Существенным преимуществом TVS-диодов перед варисторами является то, что полупроводниковые диодные ограничители не подвержены деградации при использовании и практически имеют неограниченный срок службы, недостатком TVS-диодов является меньшие уровни напряжения ограничения, меньшие значения номинального импульсного тока и относительно высокая стоимость.

Третий вариант защиты реле от перенапряжений это использование RC-цепей. Совместно с индуктивностью питающих проводов RC-цепь представляет LRC фильтр, защищающий силовой элемент реле. LC фильтр обеспечивает наилучшую фильтрацию, но на резонансной частоте LC фильтра на выходе амплитуда напряжения имеет большую величину, чем при его отсутствии, поэтому последовательно с емкостью фильтра включают резистор для ограничения напряжения вблизи резонансной частоты.

Применение RC-цепей для защиты от перенапряжений имеет свои существенные недостатки. RC-цепь представляет собой интегрирующую цепочку, и соответственно, уменьшая импульс по амплитуде, она увеличивает его по длительности, и тем самым энергия импульса остается на том же уровне. Также недостатком использования RC-цепей является то, что с увеличением тока нагрузки более 10 А большие значения емкости приводят к необходимости установки дорогих и больших по габаритам конденсаторов. Эффективным является использование RC-цепей в совокупности с варистором.

На АО «Электрум АВ» освоен выпуск элементов защиты для ограничения выбросов и/или скорости нарастания напряжений, опасных для полупроводниковых приборов в сетях переменного и постоянного тока. Элементы защиты могут содержать в своем составе варисторы, RC- цепи, полупроводниковые диодные ограничители напряжения и изготавливается в разных конструктивных исполнениях в зависимости от типа корпуса, типа питающего напряжения (постоянного или переменного), уровня питающего напряжения и величины тока протекающего через прибор.

Перегрузка по току

Очень немногие виды нагрузок ТТР можно назвать чисто активными и не способными к различного рода броскам тока. Для широкого класса нагрузок можно отметить следующие величины перегрузок:

- чисто активные нагрузки (как правило, безындуктивные нагреватели) имеют минимально возможные скачки тока, которые возможно устранить при использовании реле с контролем перехода фаз через ноль;

- электродвигатели имеют 8¸10 кратную перегрузку в течении до 0,5 секунд;

- высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (мощные трансформаторы) имеют скачки тока  в 30¸40 раз превышающие номинальный ток при длительности до 0,3 секунд;

- лампы накаливания и галогенные лампы, имеющие при холодном включении ток в 6¸12 раз, превышающий номинальный рабочий ток и спадающий экспоненциально за 0,1 секунду;

- емкостные нагрузки, включающиеся в фазе близкой к 90° напряжения имеют ток в 20¸40 раз превышающий номинальный в течении времени до 20¸50 мс.

 Частые перегрузки такого рода очень сильно сокращают срок службы ТТР. Из этого следует, что при разработке нового устройства, использующего в своем составе ТТР, необходимо тщательно исследовать характеристики нагрузки на предмет возникновения мгновенных токовых перегрузок, на основании чего выбирать реле с соответствующим запасом по мощности и способностью выдерживать необходимый уровень перегрузок, что позволит реле устойчиво работать с пусковыми и установившимися значениями тока.

Способность ТТР выдерживать токовые перегрузки характеризуют величиной «пикового» или «ударного» тока – это способность выдерживать определенную величину перегрузки в течении заданного интервала времени, как правило в течении 10 мс.

ТТР для коммутации переменного тока на основе тиристорных структур имеют величину ударного тока в десять раз превышающую величину номинального тока в течении одного полупериода питающей сети, но при этом необходимо учитывать что количество таких перегрузок ограничено, как правило допускается не более 100 таких перегрузок в течении всего срока эксплуатации прибора, поэтому недопустимо использование реле в условиях, когда такого рода перегрузки, являются частью штатного режима эксплуатации.

ТТР для коммутации постоянного тока не имеют такой перегрузочной способности, так как в основном построены с использованием MOSFET или IGBT транзисторов номинал которых, как правило, рассчитан лишь с 20% запасом по постоянному току при нормированной температуре окружающей среды. Величина ударного тока, для таких реле, как правило, равняется 3-х кратному превышению номинального тока в течении 10 мс.

Для токовой перегрузки произвольной длительности, как правило, пользуются эмпирической зависимостью: при увеличении длительности перегрузки на порядок, величина «ударного» тока должна быть снижена в два раза.

Для предотвращения выхода из строя ТТР  по причине возникновения сверхтока в цепи нагрузки и для защиты нагрузки рекомендуется использовать быстродействующие полупроводниковые предохранители способные защитить реле и коммутируемую нагрузку от выхода из строя, благодаря чрезвычайно низкому времени срабатывания (не более 2 мс), что не позволяет развиться току короткого замыкания до критической величины способной разрушить полупроводник. Такие предохранители, безусловно, дорогостоящие приборы, но если первостепенное значение имеет спасение устройства от разрушения, то разработчикам приходиться мириться с величиной цены, так как, эта величина в любом случае многократно меньше, чем стоимость всего прибора.

Перегрев

Еще раз произнесем фразу, озвученную выше - твердотельное реле при своей работе выделяет тепло, которое необходимо отводить для обеспечения работоспособности реле и сохранения его характеристик. Следовательно, при выборе реле необходимо абсолютно точно знать, сколько мощности будет уходить на тепловые потери, к какому перегреву реле эти потери приведут, и как мы собираемся уменьшить этот перегрев реле, чтобы оно не вышло из строя т. е. необходимо провести правильный качественный и количественный тепловой расчет.

Типичная конструкция любого силового полупроводникового прибора, будь то диод, транзистор или твердотельное реле показан на рисунке 2. Силовой элемент реле – j (junction), будь то тиристор или транзистор установлен на теп­лопроводящую поверхность корпуса с (case) прибора называемого радиатором. Температура перехода силового элемента реле и температура радиатора не равны друг другу, поэтому между переходом ключа и радиатором имеется некоторое тепловое сопротивление Rth-jc («тепловое сопротивление кристалл-­корпус»). Величина этого сопротивления для конкретного ТТР приводится в его паспортных данных.

Рисунок 2 – Пояснение с тепловому расчету ТТР.

Радиатор ТТР прилегает к охладителю s (silk heat). Между радиатором и охладителем также имеется некоторое тепловое сопротивление Rth­-cs («тепловое сопротивление ­радиатор-охладитель»). Величину этого теплового сопротивления узнать несколько сложнее ­ она зависит от состояния прилегающих поверхностей, от наличия или отсутствия электроизоляционной под­ложки между корпусом и радиатором. С больной степенью точности тонкую прокладку между радиатором и охладителем можно сопоставить модели неограниченной плоской однородной стенки. В таком случае тепловое сопротивление радиатор-охладитель Rth­-cs можно вычислить по формуле (2):

В настоящее время в качестве теплопроводящих электроизоляционных материалов, самыми распространенными являются теплопроводящие пасты типа КПТ-8, для которых коэффициент теплопроводности равен 0,7…0,75 Вт/(м*°С)

Тепловая энергия должна рассеиваться в окружающую среду, обозначенную на рисунке буквой а (ambient). Поэтому для выполнения расчета необходимо знать тепловое сопротивление Rth­-sa («тепловое сопротивление ­охладитель-среда»), которое производитель охладителей указывает в паспортных данных на свои охладители. Поверхность охладителя, как правило, контактирует с воздухом, теплопроводность которого невысока. Воздух вокруг радиатора прогревается хорошо, поэтому для снижения теплового сопротивления «охладитель-среда» применяют принудительную вентиляцию.

На основании приведенной конструкции можно составить типовую тепловую модель, представленную на рисунке 3.

Рисунок 3 – Тепловая модель ТТР

На основании приведенной модели можно составить выражение для определения температуры перехода полупроводникового прибора.

Tj – максимальная температура перехода силового элемента ТТР, которую производитель, как правило, указывает в технической документации на реле; Tа – температура окружающей среды, при которой предполагается эксплуатировать реле.

Таким образом, на основании вышеприведенных допущений, тепловой расчет сводится к определению мощности потерь, выделяющихся на переходе силового ключа ТТР и определению необходимого теплового сопротивления охладитель-среда Rth-sa и необходимости его обдува воздухом.

Мощность потерь Рn состоит из двух составляющих:

Следовательно, необходимо произвести расчет и статических и динамических потерь

Расчет мощности статических потерь во включенном состоянии определяется типом коммутирующего элемента, использованного в ТТР.

Если в качестве силового ключа в реле используется MOSFET транзистор, то мощность статических потерь определяется по формуле:

Если в качестве силового ключа в реле используется IGBT транзистор или тиристор, то мощность статических потерь определяется по формуле:

Для импульсного режима необходимо учесть скважность. Для прямоугольных импульсов формула выглядит так:

Для другой формы импульсов, необходимо взять формулу для определения действующего значения тока из справочной литературы.

Вторая составляющая формулы (4) Pдин обуславливается тем, что во время переключения силовой элемент ТТР находится в  активном состоянии и на нем выделяется мощность потерь. Мощность потерь переключения выделяется только во время переходных процессов и линейно зависит от частоты переключения ТТР. Среднюю мощность потерь в установившемся режиме работы можно вычислить через энергию и частоту переключения:

Энергию переключения в общем случае при неравенстве времени включения и выключения можно определить по следующей формуле

С учетом того что, максимальная мощность рассеивается на переходе, когда падение напряжения на силовом ключе равно коммутируемому напряжению, расчет динамических потерь мощности при переключении проводят по формуле:

Таким образом, типовая структура теплового расчета выглядит следующим образом:

1. Производится расчет мощности статических потерь на переходе: для ТТР на MOSFET расчет производиться по формуле (5), для ТТР на  IGBT или тиристоре по формуле (6).

2. Производиться расчет мощности динамических потерь переключения по формуле (10).

3. Определяется полная мощность, рассеиваемая на ключе по формуле (4).

4. Определяется тепловое сопротивление охладителя из формулы (3):

5. На основании полученной величины выбирается охладитель, удовлетворяющий условию, что при работе ТТР на нагрузку максимальная температура перехода силового элемента реле, не превысит критическую величину разрушения полупроводника.

Твердотельное реле должно быть интеллектуальным

Сложившаяся ситуация со сложностями, возникающими при эксплуатации в связи с реально существующей возможностью выхода из строя реле и неоднозначностью при выборе и проектировании устройств с использованием ТТР, наводит на вполне закономерный вопрос: а не существует ли реле, которые могли бы сами себя защищать от выхода из строя при коротком замыкании, перенапряжении или перегреве? Ведь использование подобных реле здорово облегчило бы жизнь любому разработчику:  возникновение какой-либо нештатной ситуации, которая не была предусмотрена разработчиком при эксплуатации, и заведомо привела бы к выходу из строя используемое ТТР, при «удачном» стечении обстоятельств не избежать, но применяемое ТТР с интеллектуальной защитой позволит не только избежать выхода из строя самого силового элемента используемого ключа, но и не позволит выйти из строя устройству в составе, которого это реле применяется.

Инженерами АО «Электрум АВ» проводится масштабная работа по разработке и внедрению ТТР с различного рода и уровня сложности защиты, которая позволила бы создать на основе этих реле устройства с уровнем безотказности нового порядка при их эксплуатации.

Так, в частности налажено производство реле постоянного тока с защитой от короткого замыкания. Рассмотрим функционирование и характеристики этого нового класса реле на примере МТ14ПТА-240-1. Это твердотельное реле с трансформаторной развязкой, на основе MOSFET транзистора, для коммутации постоянного длительного тока до 240 А, с максимальным пиковым напряжением коммутации 100 В, с малым током и временем включения/выключения, с защитой от короткого замыкания. Функциональная схема реле приведена на рисунке.<