Электромеханические и твердотельные реле

В верхней части указанного диапазона мощностей конкурентами БТИЗ-модулей в промышленном электроприводе выступают тиристоры, в том числе считающиеся весьма перспективными IGBT.

МОП МТ в данных высоковольтных применениях практически не используются из-за большого уровня статических потерь и высокой цены приборов.

Помимо промышленного электропривода, БТИЗ в настоящее время достаточно широко представлен еще в ряде применений, в том числе в электроприводе бытового назначения (стиральные машины, холодильники, кондиционеры и т.д.), в устройствах катодной защиты газо- и трубопроводов от коррозии, электронных аппаратах электросварки и т.д.

Объемы выпуска БТИЗ в дискретных вариантах приборов в настоящее время незначительны (1% от общего объема выпуска МПП), тем не менее ряд известных фирм- IR, STMicroelectronics, Infineon, TOSHIBA, ON-Semiconductor и некоторые другие - успешно развивают этот класс МПП. Представленные указанными фирмами новые разработки дискретных БТИЗ обладают хорошим сочетанием статических и динамических показателей, что позволяет им конкурировать не только с традиционными БМТ в ряде изделий массового спроса, например, в упоминавшихся блоках электронного зажигания автомобилей или электронных балластах для газоразрядных ламп, но также и с МОП-МТ, например, в сетевых ИВЭП средней мощности [25].

Данный анализ функциональных комплектующих элементов твердотельных  реле требует рассмотрения тепловых режимов реле, как один из основных режимов эксплуатации изделия.

 

4. Тепловые режимы твердотельных реле

 

Рассмотрению тепловых режимов твердотельных реле посвящены  статьи [15, 26].

Отечественная промышленность освоила широкую номенклатуру твердотельных реле (ТТР). Эти изделия являются тепловыделяющими приборами, поэтому в основе их надежной работы лежит правильный выбор тепловых режимов. В данном разделе рассматривается расчет тепловых режимов ТТР, предлагаемые способы расчета являются оценочными и поэтому в них использованы следующие допущения:

- тепловое сопротивление ТТР не зависит от рассеиваемой на нем мощности;

- процессы нарастания/спада  тока и напряжения при переходных режимах линейные;

- в закрытом состоянии ТТР рассеиваемая мощность равна нулю.

Из [27] известно, что температура  перехода тепловыделяющих приборов определяется по формуле:

Тпер = Тср + (θпр + θро + θоср) · Р,

(1.28)

где

Тпер - температура перехода силового элемента;

Тср - температура окружающей среды;

Р - мощность, выделяющаяся на переходе;

θпр - тепловое сопротивление  переход—радиатор;

θро - тепловое сопротивление радиатор—охладитель;

θоср - тепловое сопротивление  охладитель—среда.

Обычно тепловое сопротивление  радиатор-охладитель θро значительно меньше, чем θпр и θоср, поэтому для практических расчетов можно записать:

Тпер = Тср + (θпр + θоср) · Р,

(1.29)

В сопроводительной документации на ТТР указываются тепловое сопротивление переход-радиатор θпр и максимальная температура перехода Т_{ПЕР МАХ}  Таким образом, тепловой расчет сводится к расчету мощности, выделяющейся на переходе силового элемента, и определению теплового сопротивления охладитель - среда θоср. На основе этого расчета выбирается тип охладителя и скорость его обдува воздухом, если это необходимо. Из формулы (1.29) имеем:

θоср ≤  (Тпер мах  - Тср)/ Р - θпр,

(1.30)

Итак, для расчета θоср необходимо рассчитать мощность Р, которая выделится на переходе. Если ТТР работает в режиме переключения, мощность складывается из двух составляющих и рассчитывается по формуле:

Р = Рстат + Рдин,

(1.31)

где Рстат – мощность, рассеиваемая на переходе во включенном состоянии;

Рдин - мощность, рассеиваемая на переходе во время переключения.

Расчет статической  мощности на переходе определяется типом коммутирующего элемента. Для ключа на МОП-транзисторе:

Р = Iком2 · Rкл,

(1.31)

где Iком – действующее значение коммутируемого тока;

Rкл - сопротивление ключа в открытом состоянии.

Для IGBT-транзистора и  тиристора:

Р = Iком · Uocт,

(1.32)

где Uocт — остаточное напряжение на ключе в открытом состоянии.

Вторая составляющая Рдин обусловлена тем, что ключ во время переходного процесса находится в активном состоянии. Мощность, выделяемая на переходе во время переключения ТТР значительно выше мощности, выделяемой во включенном состоянии. Качественно зависимость Рдин (t) показана на рисунке 1.9.

а)

б) 

Рисунок 1.9 – Переходной процесс  в ТТР: а) зависимость тока и напряжения от времени; б) зависимость динамической мощности от времени

 

Рассмотрим более подробно переходной процесс в ТТР. Эквивалентная схема при переходном процессе показана на рисунке 1.10.

 

 

Рисунок 1.10 – Эквивалентная  схема переходного процесса: R_H — сопротивление нагрузки; I_K0M, U_K0M - коммутируемые ток и напряжение, Rкл - сопротивление ключа в открытом состоянии.

 

В процессе открывания ТТР  идеальный ключ меняет свое сопротивление от нуля до бесконечности. Зависимость мощности, рассеивающейся на переходе от сопротивления ключа во время включения, показано на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 – Зависимость  мощности, рассеивающейся на ключе, от сопротивления ключа Rкл при переходном процессе

 

Максимальная мощность рассеивается на переходе при выполнении условия Rкл = Rн и определяется по формуле:

Рдин max = Uком / 2Rн,

(1.33)

Эта мощность рассеивается на переходе только при переходном процессе, а выделяемая при этом тепловая энергия линейно зависит от частоты переключения.

Расчет Рдин проводят по формуле:

Рдин = (Uком max · Iком max / 6)(tвкл + tвыкл) · fком,

(1.34)

где tвкл и tвыкл - время  включения и время выключения, которые определяются в соответствии с рисунком 1.9 (а);

fком - частота коммутации  ТТР.

В формуле (1.34) величина (Uком max · Iком max / 6)(tвкл + tвыкл) представляет собой энергию переключения Епер за один цикл коммутации. Значение величины Епер получено путем интегрирования произведения Uком · Iком за период времени включения и выключения ТТР.

Для примера рассмотрим количественное соотношение Рст и Рдин в твердотельных реле с тиристорным ключом, управляемым симисторным оптроном и реле с ключом на IGBT-транзисторе, управляемым фотовольтаическим оптроном.

Для тиристорного ключа  при действующем значении тока коммутации 10 А статические потери мощности составят примерно 10 Вт (Рст = Iком · Uocт), т.к. остаточное напряжение составляет примерно один вольт.

Рассчитаем динамические потери мощности при самом неблагоприятном случае, когда включение происходит при максимальном значении синусоидального напряжения. Используя формулу (1.34), имеем 6,25 Вт.

Здесь за величину tвкл взято паспортное значение 250 мкс. На самом деле эта величина значительно меньше. При расчете Рдин потери при выключении не учитывались, т.к. выключение тиристора происходит при близком к нулю токе коммутации.

Рассчитаем теперь статические  и динамические потери мощности в  реле постоянного тока при токе коммутации 10 А, напряжении коммутации 300 В, временах включения и выключения 10 мс, остаточном напряжении 2 В, частоте коммутации 50 Гц.

В результате вычислений получаем: Рст = 20 Вт, Рдин = 250 Вт. Очевидно, что в данном случае определяющими являются динамические потери. Ниже приводится последовательность расчета тепловых режимов.

1. Определяется статическая  мощность, рассеиваемая на переходе.

Для ТТР с МОП-транзистором в качестве ключа – по формуле (1.31), для IGBT-транзистора и тиристора – (1.32).

Для импульсного режима необходимо учесть скважность:

Iком = Iком пик / θ1/2,

(1.35)

где Iком пик — пиковое значение тока, θ — скважность.

Эта формула верна  для прямоугольных импульсов, при  другой форме импульсов тока расчет приводится в технической литературе (например, [28]).

2. Определяется динамическая мощность, рассеиваемая на переходе, по формуле (1.34).

3. Определяется  полная  мощность,   рассеиваемая  в ключе ТТР,  по формуле (1.31).

4. Определяется тепловое сопротивление  охладителя по формуле (30).

По полученной величине выбирается необходимый охладитель и скорость обдува его воздухом, если это необходимо.

В заключении – об ограничениях, накладываемых  тепловыми режимами реле [15]. Максимальные токи реле нормируются следующим образом:

- для реле без радиатора – по предельной температуре перехода силовых элементов (125 °С – для реле на тиристорах, 150 °С – на транзисторах) при температуре среды 25 °С;

- для реле с радиатором – по предельной температуре перехода при температуре радиатора 75 °С  – для реле на тиристорах и 90 °С – на транзисторах.

Последние два значения температуры приняты из достаточно произвольного условия равенства  теплового сопротивления внешнего охладителя «эквивалентному» тепловому сопротивлению переход-радиатор, при котором:

(1.36)

Говоря об «эквивалентном» тепловом сопротивлении, имеем в виду то, что, например, для трехфазного реле с тепловым сопротивлением Rт.ф на фазу, «эквивалентное» сопротивление равно Rт.ф / 3.

Основным соотношением при тепловых расчетах для всех типов реле является:

(1.37)

где Р – мощность, рассеиваемая в силовых элементах реле, Rохл - тепловое сопротивление внешнего охладителя с учетом  контактного теплового сопротивления радиатор-охладитель.

Для мощности, рассеиваемой в фазе тиристорных реле можно  записать эмпирическое выражение: 

(1.38)

При работе реле постоянного  тока на высоких частотах существенным становится вклад в рассеиваемую мощность энергии переключения. Выражения для суммарной рассеиваемой мощности выглядят следующим образом:

-   для IGBT:

(1.39)

- для МОП, при Тпер = 150 °С:

 

(1.40)

где N – скважность.

Таким образом, проведенный  анализ современного состояния комплектующих изделий релейной техники, современных схемотехнических и конструкторско-технологических решений, тепловых и электрических режимов позволяет приступить к разработке мощного твердотельного реле в соответствии с техническим заданием на дипломный проект.