Современные тенденции развития твердотельных реле

Александр Василенко

В данной статье сделана попытка классифицировать выпускаемые на сегодняшний день ТТР, отобразить объективные сложности, возникающие у инженеров, использующих в своих разработках реле на основе полупроводников, и привести рекомендации по проектированию устройств с использованием ТТР, основанные на исследованиях ЗАО «Электрум АВ». Сделан обзор перспективных разработок в области ТТР, улучшающих их характеристики и переводящих эти устройства в разряд интеллектуальных и пригодных для новых применений.

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, способные благодаря отсутствию механического контакта 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.

Благодаря развитию оптоэлектронных и магни-тоуправляемых полупроводниковых приборов, на сегодняшний день созданы технические решения, позволившие твердотельным реле (ТТР) догнать, а по некоторым параметрам даже существенно превзойти реле электромагнитные.

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

В данной статье сделана попытка классифицировать выпускаемые на сегодняшний день ТТР, отобразить объективные сложности, возникающие у инженеров, использующих в своих разработках реле на основе полупроводников, и привести рекомендации по проектированию устройств с использованием ТТР, основанные на исследованиях ЗАО «Электрум АВ». Сделан обзор перспективных разработок в области ТТР, улучшающих их характеристики и переводящих эти устройства в разряд интеллектуальных и пригодных для новых применений.

Область применения твердотельных реле

Область применения твердотельного реле определяется типом полупроводникового прибора коммутирующего элемента: для коммутации цепей постоянного тока это полевые и IGBT-транзисторы, а 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 оцениваетсявеличиной электрического сопротивления; если же в качестве ключа используется IGBT-транзистор или схема на тиристорах, то 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 переменном токе 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, эта проблема не играет столь существенной роли, и поэтому нижние уровни тока и напряжения приближены к нулю.

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

Также в реальных условиях работы ТТР 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 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. Производители ТТР указывают 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; учитывать быстродействие только самого силового коммутирующего элемента не совсем верно. 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: ТТР при работе выделяет тепло, которое необходимо отводить для обеспечения работоспособности реле и сохранения его характеристик. Следовательно, при использовании ТТР 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 него.

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 (MOSFET-или IGBT-транзисторы) или переменный ток (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 с номинальными токами до 320-400 А. Реле, выполненные с использованием тиристоров, способны выдерживать пиковое напряжение до 1600 В 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 для поддержания температурного режима и предотвращения выхода из строя их необходимо устанавливать на охладители.

Расчетные соотношения

Исходя из вышеперечисленных соображений, по условиям работы ТТР и характеристикам, влияющим на надежность работы, можно выделить три локальных фактора, которые необходимо учитывать при выборе и эксплуатации реле и 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. Существует два основных способа защиты: механизм фиксации пробивного напряжения с использованием стабилитронов и варисторов; 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 при чрезмерно интенсивных режимах перенапряжений для него характерна деградация характеристик.

Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика (рис. 1).

Типичная ВАХ варистора

Рис. 1. Типичная ВАХ варистора

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ом 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 Ura — это напряжение при определенном токе. Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при токе 1 мА.

В России наиболее массовое производство малогабаритных варисторов организовано в ОАО «Ухтинский завод «Прогресс». Защитные варисторы типов ВР-1; ВР-2; СН2-1; СН2-2 имеют классификационные напряжения в диапазоне 68-1500 В (1кл = 1 мА), энергию рассеивания 10-508 Дж и коэффициент нелинейности >30 (>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 им при возникновении импульса напряжения, и варистор, по сути, не будет выполнять свою основную функцию: на силовой ключ, который он должен защищать, будет воздействовать слишком большое перенапряжение, способное вывести реле из строя.

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

Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении (согласно 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.

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

E = (ρ*tgφ)/(2π*f*η), (1)

где: E — максимальная мгновенная энергия (Дж); Р — номинальная мощность нагрузки (Вт); f— частота коммутируемой нагрузки (Гц); η — КПД коммутируемой нагрузки.

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

Наряду с варисторами в качестве элемента, реализующего механизм фиксации перенапряжения, используют полупроводниковые ограничители — так называемые TVS-диоды. Они 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. Недостаток TVS-диодов — меньшие уровни напряжения ограничения, меньшие значения номинального импульсного тока и относительно высокая стоимость.

Третий вариант защиты реле от перенапряжений — использование RC-цепей. Совместно с индуктивностью питающих проводов RC-цепь представляет собой LRC-фильтр, защищающий силовой элемент реле.

Он 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. Соответственно, уменьшая импульс по амплитуде, она увеличивает его по длительности, вследствие чего энергия импульса остается на том же уровне. Еще один недостаток RC-цепей заключается в том, 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.

ЗАО «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 и полупроводниковые диодные ограничители напряжения. Они изготавливаются в разных конструктивных исполнениях — в зависимости от типа корпуса, типа питающего напряжения (постоянного или переменного) и его уровня, а также величины тока, протекающего через прибор.

Перегрузка по току

Очень немногие виды нагрузок ТТР можно назвать чисто активными и неспособными 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, используя реле с контролем перехода фаз через ноль;
  • электродвигатели имеют 8-10-кратную перегрузку за период до 0,5 с;
  • высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (мощные трансформаторы) имеют скачки тока, в 30-40 раз превышающие номинальный при длительности до 0,3 с;
  • лампы накаливания и галогенные лампы имеют при холодном включении ток, в 6-12 раз превышающий номинальный рабочий и спадающий экспоненциально за 0,1 с;
  • емкостные нагрузки, включающиеся в фазе напряжения, близкой к 90°, имеют ток, в 20-40 раз превышающий номинальный, в течение 20-50 мс.

Частые перегрузки такого рода значительно сокращают срок службы ТТР. Из этого следует, что при разработке нового устройства с ТТР необходимо тщательно исследовать характеристики нагрузки на предмет возникновения мгновенных токовых перегрузок и на основании этого выбирать реле с соответствующим запасом по мощности и способностью выдерживать необходимый уровень перегрузок.

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

ТТР для коммутации переменного тока на основе тиристорных структур имеют величину ударного тока, в десять раз превышающую величину номинального тока в течение одного полупериода питающей сети. При этом необходимо учитывать, что количество таких перегрузок ограничено: как правило, допускается не более 100 таких перегрузок в течение всего срока эксплуатации прибора, поэтому недопустимо использование реле в условиях, когда перегрузки такого рода 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%-ным запасом по постоянному току при нормированной температуре окружающей среды. Величина ударного тока для таких реле, как правило, равняется 3-кратному превышению номинального тока в течение 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. Они способны защитить реле и коммутируемую нагрузку от выхода из строя за счет чрезвычайно низкого времени срабатывания (не более 2 мс), что не позволяет развиться току короткого замыкания до критической величины, способной разрушить полупроводник. Такие предохранители, безусловно, дорогостоящие, но если первостепенное значение имеет защита устройства от разрушения, то разработчикам приходится мириться с высокой ценой, так как эти издержки в любом случае многократно меньше, чем стоимость всего прибора.

Перегрев

Еще раз подчеркнем: твердотельное реле при своей работе выделяет тепло, которое необходимо отводить для обеспечения его работоспособности и сохранения 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 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, показана на рис. 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.

Пояснение с тепловому расчету ТТР

Рис. 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»). Его величину узнать несколько сложнее: она зависит от состояния прилегающих поверхностей, от наличия или отсутствия электроизоляционной подложки между корпусом и радиатором. С большой степенью точности тонкой прокладке между радиатором и охладителем можно сопоставить модель неограниченной плоской однородной стенки. В таком случае тепловое сопротивление радиатор-охладитель Rth-cs можно вычислить по формуле (2):

Rth-cs = δp/(λ*Sρ), (2)

где δp — толщина прокладки; λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С); Sp — площадь одной стороны прокладки.

В настоящее время в качестве теплопро-водящих электроизоляционных материалов самыми распространенными являются тепло-проводящие пасты типа КПТ-8, для которых коэффициент теплопроводности равен 0,70,75 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 указывается производителем в паспортных данных на изделия. 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 построить типовую тепловую модель, представленную на рис. 3.

Тепловая модель ТТР

Рис. 3. Тепловая модель ТТР

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

Tj = Ta+(Rth_jc+Rth_cs+Rth_sa)*Pn, (3)

где Pn — мощность потерь, рассеиваемых ТТР; Tj — максимальная температура перехода силового элемента ТТР, которую производитель, как правило, указывает в технической документации на реле; Ta — 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, теплового сопротивления «охладитель-среда» Rth-sa и необходимости его обдува воздухом.

Мощность потерь Рп состоит из двух составляющих:

Рn = Рстатдин , (4)

где Рстат — мощность статических потерь во включенном состоянии; Рдин — мощность динамических потерь при переключении. 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:

Рстат = I2ком*Rотк (5)

где Iком — действующее значение тока, коммутируемого ТТР; Котк — сопротивление ТТР в открытом состоянии.

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

Рстат = Iком*Uост (6)

где Iком — действующее значение тока, коммутируемого ТТР; Uост — остаточное падение напряжение на ключе во включенном состоянии.

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

где Iком — действующее значение тока, коммутируемого ТТР; Iком пик — пиковое значение коммутируемого тока; γ — скважность.

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

Вторая составляющая формулы (4) Рдин 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:

Рдин = Епер·fком (8)

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:

где Uкомmах — амплитудное значение коммутируемого напряжения; Iкомmах — амплитудное значение коммутируемого тока; tпep — время переключения; tвкл — время включения; tвыкл — время выключения; fком — частoта коммутации.

Таким образом, типовая структура теплового расчета выглядит следующим образом:

  1. Производится расчет мощности статических потерь на переходе: для ТТР на MOSFET расчет производится по формуле (5), для ТТР на IGBT или тиристоре — по формуле (6).
  2. Производится расчет мощности динамических потерь переключения по формуле (10).
  3. По формуле (4) определяется полная мощность, рассеиваемая на ключе.
  4. Определяется тепловое сопротивление охладителя из формулы (3):

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

Твердотельное реле должно быть интеллектуальным

Сложности, возникающие при эксплуатации, связаны с реально существующей возможностью выхода реле из строя и неоднозначностью при выборе и проектировании устройств с использованием ТТР. Это наводит на вполне закономерный вопрос: а не существуют ли реле, которые могли бы сами себя защищать от выхода из строя при коротком замыкании, перенапряжении или перегреве? Ведь использование подобных реле способно значительно облегчить жизнь любому разработчику: возникновения какой-либо нештатной ситуации, не предусмотренной разработчиком и заведомо приводящей к «поломке» используемого ТТР, при «удачном» стечении обстоятельств не избежать, но ТТР с интеллектуальной защитой не допустит выхода из строя не только самого силового элемента используемого ключа, но и устройства, в составе которого это реле применяется.

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

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 рис. 4.

Функциональная схема МТ14ПТА-240-1

Рис. 4. Функциональная схема МТ14ПТА-240-1

В состав реле D входят: генератор — функционально это задатчик, формирующий прямоугольные импульсы, поступающие на первичную обмотку развязывающего трансформатора при подаче входного управляющего напряжения; Тр — трансформатор, выполняющий функции передачи управляющих сигналов и осуществляющий гальваническую развязку между входной и выходной цепью; схема управления — схема, управляющая затвором силового транзистора и осуществляющая обработку сигнала о токе, протекающем в силовой цепи; В — блок активной защиты, обеспечивающий ограничение напряжения на стоке транзистора на уровне не более Uогр; Rизм — токоизмерительный шунт; Т — силовой ключ; два светодиода: «Упр» — сигнализирующий о том, что на вход реле подано управляющее напряжение, и «КЗ» — сигнализирующий о наличии короткого замыкания в силовой цепи.

При подаче управляющего напряжения генератор формирует управляющие импульсы, поступающие на трансформатор Тр и далее на схему управления, загорается зеленый светодиод «Упр», свидетельствующий о том, что реле включено. Схема управления формирует импульс, поступающий на затвор силового транзистора Т, силовой транзистор открывается, и в цепи нагрузки начинается протекание тока, который измеряется с помощью резистора Rизм и контролируется схемой управления. При превышении коммутируемого тока выше 1з происходит срабатывание защиты, загорается красный светодиод «КЗ», силовой транзистор Т закрывается в течение времени t2, равного 10 мкс (рис. 5). Через время перезапуска t1 = 20 мс схема управления снимает запрет работы и открывает силовой транзистор Т. Если короткое замыкание не устранено, то схема управления вновь его определяет и отключает силовой транзистор. Данный процесс продолжается до тех пор, пока неисправность не будет устранена.

Диаграмма функционирования МТ14ПТА-240-1

Рис. 5. Диаграмма функционирования МТ14ПТА-240-1

Номенклатура ТТР постоянного тока с защитой от короткого замыкания производства ЗАО «Электрум АВ» включает в себя модификации реле на токи 2,5-320 А, на напряжения 40-1200 В, в корпусах для монтажа на печатную плату и на панель.

Следующим представителем интеллектуальных реле производства «Электрум АВ» является трехфазное реле переменного тока с защитой от перегрева. Рассмотрим функционирование этого типа реле на примере М026МА-120-12-Т.

Данное реле представляет собой оптотири-сторный модуль (твердотельное полупроводниковое оптоэлектронное трехфазное реле переменного тока с «нормально разомкнутыми» контактами с контролем перехода фазы через «ноль») с функциями защиты силовых элементов от перегрева и предназначено для коммутации нагрузок в цепях переменного тока частотой 50-400 Гц.

На рис. 6 приведена функциональная схема реле, в состав которого входят: оптронная схема управления тиристорами; пара встречно-параллельно включенных тиристоров по каждой фазе коммутации; терморезистор, установленный на радиатор в непосредственной близости к силовым тиристорам; схема обработки информации о температуре и блокировки силовых тиристоров.

Функциональная схема МО26МА-120-12- Т

Рис. 6. Функциональная схема МО26МА-120-12- Т

На рис. 7 приведена диаграмма функционирования М026МА-120-12-Т. При подаче управляющего напряжения на вход реле загорается зеленый светодиод «Упр», происходит коммутация силовых тиристоров. При работе реле происходит его разогрев. Если из-за недостаточного теплоотвода или по иной причине температура реле превышает предельное значение, происходит отключение модуля, загорается красный светодиод «Перегрев». При падении температуры реле ниже предельного значения минус значение гистерезиса δТ происходит снятие блокировки работы тиристоров, и модуль продолжает свое нормальное функционирование. Таким образом, наличие температурной защиты предотвращает выход из строя реле при неправильно проведенном тепловом расчете или ухудшении условий эксплуатации устройства.

Диаграмма функционирования МО26МА-120-12-Т

Рис. 7. Диаграмма функционирования МО26МА-120-12-Т

Номенклатура ТТР данного типа представлена на данный момент реле на токи 25-120 А и максимальное пиковое напряжение на выходе в закрытом состоянии 1200 В. Реле изготавливаются в корпусах для монтажа на панель.

Также ЗАО «Электрум АВ» разработано твердотельное реле, осуществляющее защиту от превышения тока, обрыва фазы нагрузки и перегрева модуля. Рассмотрим функционирование данного реле на примере МО8МА-63-12-Т — это однофазный оптотиристорный модуль переменного тока с защитой от перегрузки, обрыва фазы и перегрева.

На рис. 8 приведена функциональная схема М08МА-63-12-Т, в состав которого входят следующие элементы: оптронная схема управления двумя встречно-параллельно включенными тиристорами; силовые тиристоры, расположенные на радиаторе модуля; терморезистор R, расположенный на радиаторе модуля в непосредственной близости от силовых тиристоров; токоиз-мерительный шунт Rизм в цепи протекания тока нагрузки; активный выпрямитель-усилитель VD для обработки сигнала с токоизмерительного шунта Rизм; схема блокировки, которая обрабатывает сигнал с терморезистора R и выпрямителя VD и выдает управляющий сигнал, блокирующий работу тиристоров при наступлении аварийного режима; оптрон статуса ошибки, выход которого гальванически изолирован от входной цепи управления и силовой части устройства; два светодиода: «Упр», сигнализирующий о том, что на вход реле поданы управляющие сигналы, и светодиод «Авария», сигнализирующий об аварийном режиме работы реле.

Функциональная схема МО8МА-63-12- Т

Рис. 8. Функциональная схема МО8МА-63-12- Т

На рис. 9 приведена диаграмма функционирования ТТР М08МА-63-12-Т, поясняющая режимы работы реле. При подаче на вход реле управляющего напряжения загорается зеленый светодиод «Упр», оптрон-ная схема управления открывает тиристоры, в силовой цепи начинает протекать ток нагрузки. Если мгновенное значение тока нагрузки превышает порог срабатывания защиты I , загорается красный светоди-од, схема блокировки выдает запрещающий сигнал, в течение 10 мс оптронная схема управления выключает тиристоры, ток в цепи нагрузки перестает течь, открывается оптрон статуса ошибки. Выход из этого аварийного режима работы произойдет только в случае перезапуска управляющего напряжения.

Диаграмма функционирования МО8МА-63-12-Т

Рис. 9. Диаграмма функционирования МО8МА-63-12-Т

Если температура реле превысит температуру срабатывания защиты от перегрева, срабатывание защиты аналогично режиму срабатывания защиты при коротком замыкании. Если предпринимается попытка пересброса реле по входу управления до того, как модуль охладился ниже температуры срабатывания тепловой защиты реле, схема блокировки определяет, что реле недостаточно охлаждено, и запрещает его работу.

При обрыве в цепи нагрузки схема блокировки определяет отсутствие тока через нагрузку, и срабатывание защиты также аналогично режиму срабатывания защиты при коротком замыкании.

Наличие статуса ошибки позволяет организовать дополнительные режимы работы реле. При срабатывании защиты в результате мгновенного скачка тока в нагрузке выше уровня тока срабатывания защиты или перегрева модуля в результате длительной работы в предельном режиме функционирования без надлежащего охлаждения имеется возможность организации принудительного пересброса реле с помощью сигнала с оптрона статуса ошибки. При обрыве в цепи нагрузки с его помощью можно организовать сигнализацию об обрыве в цепи нагрузки или выходе из строя самой нагрузки.

Номенклатура ТТР данного типа представлена на данный момент реле на токи 25-320 А и максимальное пиковое напряжение на выходе в закрытом состоянии 1200 В. Реле изготавливаются в корпусах для монтажа на панель. Реле с диапазоном коммутируемых токов 25-80 А производит измерение протекающего в цепи нагрузки тока с помощью встроенного токоизмерительного шунта, реле с диапазоном коммутируемых токов 100-320 А производит измерение протекающего в нагрузке тока с помощью специально поставляемого в комплекте с реле датчика тока, который монтируется на силовую шину в цепи нагрузки.

Заключение

Необходимость уменьшать себестоимость изделий, увеличивать надежность и производительность, а также повышать энергоэффективность и экономичность требует от разработчиков качественно новых методов проектирования с использованием более функциональных компонентов и элементной базы. Появление на рынке ТТР, выполняющих новые для этого класса элементов функции и позволяющих построить на их основе более эффективные устройства, значительно расширяет область применения ТТР и закладывает новые горизонты развития в области силовой полупроводниковой электроники.

Литература

  1. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс. 2005.
  2. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Г. С. Найвельта. М.: Радио и связь. 1985.
  3. Трегубов С. В., Пантелеев В. А., Фрезе О. Г. Общие принципы выбора варисторов для защиты от импульсных напряжений. http://komi.com/progress/product/varistor/manual/
  4. Силовые полупроводниковые приборы / Пер. с англ. Воронеж. 1995.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_4_12.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо