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固态继电器和固态断路器时代将至

已有88次阅读2024-07-10标签:
 机电继电器和断路器作为一种成熟的技术已广为人知,大量应用在各种场合,但是它们仍然存在一些固有缺陷。尽管采用基于半导体的固态技术可以解决这些问题,但设计中又会面临一系列挑战。到底,什么才是正确的解决方案呢?

 

目前,高压继电器和断路器大部分都是机电式的。

除了人们百年来已经习惯使用继电器和断路器外,工程领域也普遍认为,半导体技术不适合应用于高压开关。但近年的功率半导体技术发展,正在改变这种现象,转变人们的固有印象,本文就将对此进行介绍。

 

机电VS固态

 

对此,我们有必要回顾一下什么是机电继电器和断路器,以及固态继电器和断路器的发展状况。

 

机电继电器和断路器产生的噪音来自于它们的物理特性,电磁吸引/放开快速移动的金属触点会产生音频和电气噪音。其中,机械触点的动作是一个故障点,寿命有限,疲劳主要发生在触点的表面,这是因为接通高电压可能会产生电弧,导致在触点在完全接触之前气隙已经击穿,产生弧隙电压和弧隙电流,并产生高温,触点分断时会出现相同的现象,甚至更严重。

 

这里需要说明的是,触点在接通和分断时,触点会出现交流或直流电压。接通和分断交流电压时不是零电压开关,则每次继电器动作时都有可能会产生电弧。最终导致触点迅速退化,触点之间的电阻增加,甚至熔合在一起。这也是为什么机电继电器和断路器制造商在产品手册中给出了使用寿命。

 

使用固态继电器切换交流电时,通常会执行零电压开关,可以确保器件电压达到最低时动作。在切换直流电压和电流时,可以利用固态开关快速特性,快速分断以避免过大的浪涌电流,这最终使得继电器或断路器在整个使用寿命期间变得更加可靠,其寿命可能要比机电继电器/断路器更长。

 

工程师喜欢使用机电继电器/断路器,其理由非常简单充分:成本、性能和功能。的确,在成本方面,固态继电器/断路器要高于机电继电器/断路器,但考虑到使用寿命以及维护、保养和运行成本,固态继电器/断路器更具成本优势。

 

在性能方面,最重要的参数就是触点开关的电阻引起的功率损耗。对于机电触点来说,新的时候触点电阻较低,但随着时间的推移,触点电阻势必会增大,损耗也增大。而使用固态解决方案时,其功率损耗与导通电阻直接相关,新一代的功率半导体导通电阻有了长足的改进,在使用寿命期间,导通电阻不会发生变化。在理想情况下,导通损耗和半导体成本,可以通过品质因数(即面积导通电阻,RDS(on)*A)来表示, 这是半导体制造商的关注重点,也是英飞凌通过CoolMOS™技术平台的优势。

 

 

1:超级结MOSFET RDS(on)*A随耐压值变化的优势

 

另一个问题是安全性。固态开关没有活动部件,开关速度要比机电开关快得多,这是优点,但也存在一个缺点:输入和输出之间没有任何物理断点,在许多人机接触界面中,安全法规对高压输入和输出之间的电气绝缘有相关规定。

 

电气绝缘是固态技术的劣势,所以混合式断路器或继电器的概念应运而生,即使用固态器件来切换高压,然后机电继电器做为机械断点在零电压、零电流下开关,这时可以选用小规格的机电开关。

 

当然,也有许多应用并不需要电气绝缘,但是,断路器的现有法规仍然是依据机电器件制定的,没有充分考虑固态器件的特点和卓越性能。固态开关的标准正在制定中,就电气绝缘要求而言,对于某些具体应用,它们可能会不再这么严格。

 

超级结MOSFET的兴起

 

固态开关是通过功率半导体实现的,迄今为止,使用最为广泛的材料是硅。对于交流开关,特别是在零电压开关应用中,三端双向可控硅开关Triac和可控硅整流器SCR为首选,MOSFET通常用于开关直流电压,而IGBT可用于交流和直流开关。

但是,这些功率半导体开关都会因为导通电阻而产生损耗,损耗产生热,可能需要散热器,最终增加了系统空间和材料清单。
 

 

2:固态继电器的体积大大缩小

 

超级结MOSFET可以有效降低了导通电阻RDS(on)。自二十世纪九十年代以来,英飞凌始终是超级结MOSFET的领航人,且不断开发该技术。与其他MOSFET结构相比,它具有明显的优势,特别是在按面积计算的导通电阻RDS(on)*A方面,这就相应地降低了损耗,而且成本更低,还可在自然冷却的条件下,用于更高电压和电流的应用。

 

凭借CoolMOS™ 7技术,英飞凌成为了RDS(on)*A的领航人。另外,英飞凌发布一个新技术——CoolMOS™ S7,该技术提供更低的RDS(on)*A,并通过适当提高开关损耗,优化降低导通电阻。在固态继电器和断路器应用中,这完全符合对器件的性能要求,固态继电器和断路器无需高频开关。

 

使用固态/混合继电器和断路器有不少优势,显著加快开通和分断时间、消除机电继电器或断路器存在的电弧和噪音,从本质上讲,拥有更好的可靠性和可预测性,使用寿命也更长,英飞凌CoolMOS™ 7 、碳化硅MOSFET和SSI系列固态隔离器等解决方案正在解决一些常常影响应用的短板。

 

英飞凌最新的超级结MOSFET平台在固态继电器和智能断路器设计方面取得了重大突破。它实现了前所未有的RDS(on)*A品质因数,可满足设计人员及其最终市场的需求。更重要的是,固态继电器比机电继电器要小得多,节省安装空间。

 

超级结MOSFET只是英飞凌产品家族中的一员,它满足了电源领域亟待创新的需求。得益于CoolMOS™ 7、碳化硅MOSFET、SSI系列固态隔离器等技术的发展,固态继电器和断路器的可行性越来越高。英飞凌有着悠久的创新历史,并将继续开发和交付以更低的成本实现更多优势的解决方案。

 

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