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固态继电器

固态继电器核心技术内幕

发布日期:2022-10-09 点击率:68

固态继电器。过零和瞬时两种导通方式似乎更适用于特定应用领域。但通常情况下,对于应该选用的导通方式并没有绝对的规定。如果负载要求比例控制每半个周期(比如白炽灯调光和热量低温度控制)时,则瞬间启动式固态继电器必须被选用。但对于高负荷热量而言,具有整周期运作的过零式固态继电器是通常温度控制的首选。对于感性负载,通常建议选用过零导通继电器。但对于不同的应用和功率因数,瞬时导通继电器可能会更适合感性负载电路。虽然没有标准规定,但一般瞬时导通继电器是控制感性负载的首选。

固态继电器的关键要素
如前所述,控制继电器输出的方法有多种,但其中关键字在于“继电器输出”。大多数情况下,快达采用反并联可控硅交流输出固态继电器输出元件。与双向可控硅输出相比,反并联可控硅的配置拥有相关的性能优势。主要在于 dv/dt,当双向可控硅正在换向关闭时,其 dv/dt受到严重的限制。通常,双向可控硅的换向 dv/dt 介于 5 至 10 V/ms。而反并联可控硅不受这种限制,也没有换向 dv/dt的相关变化范围, 仅有一个大于 500V/ms 的临界值。 此外,与用一个元件(双向可控硅)相比,两个元件(反并联可控硅)与陶瓷绝缘层的接触面积更大,更易于散热。

作为一种热导体,用于隔离固态继电器底板的氧化铝陶瓷基板,有其局限性。由于陶瓷基板不能横向有效的导热,热电源不得不采用两种元素,使更大面积的基板可以用来导热,并使热量垂直通过陶瓷。此外,继电器本身还附加了两个可控硅,其铜引线框架更有助于陶瓷基板大面积散热。从可控硅芯片到继电器底板,虽然大量采用铜引线框架散热,但陶瓷基板是热阻抗的主要来源,其中50% 将成为继电器的总热阻抗。如果继电器具有浪涌电流,反并联可控硅则是首先。因为就传热和导电而言每个元素是独立分开的。但这种情形并不包括单元素双向可控硅输出。

采用可控硅作为固态继电器的输出元素并非一个简单的决定。当制造商决定可控硅的大小和类型时,成本将会是主要顾虑。继电器的输出硅是继电器的主要组成部分。虽然控制电路决定启动和停止功能,但这一性能的关键是输出硅开关。虽然较小的可控硅芯片可降低成本,但这也会导致低性能 - 浪涌(或过载)电流减少,功耗和热阻抗增加。也许减少硅片厚度可能略微增加浪涌电流,且减少正向电压降和功耗,但采用更薄的硅片并非简单解决方案。由于晶圆破损和阻断电压的降低,可控硅芯片制造商会受到损失,从而使成本增加。此外,可控硅芯片的阻断电压可能会更低,使固态继电器最后更容易造成瞬间过压损坏,尤其是硅片厚度减少到能够冲穿崩溃但又不是雪崩击穿的时候。如果可控硅太敏感,那么在发生冲穿崩溃的时候,任何过电压都将损坏可控硅。如果发生雪崩击穿,可控硅将会误触发,并在余下的半个周期内导通,最后恢复到正常状态,不受损坏。

如果更薄的可控硅芯片具有缺陷,或许较厚的型号应该予以考虑。厚芯片一般对于过压瞬变更坚固,并具有较高的阻断电压额定值。正向电压降会更高,而导致较高的功率消耗,降低浪涌电流能力。对于硅芯片制造商来说,由于较少的晶圆破损和使用较高的电压,其硅芯片的整体产量会更高。

结论
为了在最大化性能的同时,使用更加经济的可控硅元件,固态继电器制造商和他们功率半导体元件的供应商正在不断地共同努力。

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