Allgemeine Designparameter für die Auswahl von Halbleiterrelais

Die Probleme mit Halbleiterrelais (SSRs) in den meisten Fabriken sind häufig auf die falsche Wahl der Designparameter zurückzuführen. Die vier wichtigsten Designparameter, die bei der Auswahl eines Halbleiterrelais zu berücksichtigen sind, sind das Wärmemanagement, die Auswahl des Schalttyps, die Auslegung des Nennstroms und der Überspannungsschutz. Dieser Artikel befasst sich eingehend mit diesen vier Designparametern und erläutert, wie die Halbleiterrelais-Produkte von Littelfuse und ihre Varianten dazu beitragen, diese optimal zu erreichen. Letztendlich zeigt der Artikel, dass die Halbleiterrelais von Littelfuse in Tests eine überragende Beständigkeit aufweist.

Schalttypen von Halbleiterrelais für verschiedene Lastanwendungen

Heizsysteme können manchmal unerwartete elektromagnetische Störungen verursachen, die zu einer nicht bestandenen Konformitätsprüfung führen. Motorsteuerungsanwendungen haben manchmal langsame Reaktionszeiten. Beide Probleme haben in der Regel die gleiche einfache Ursache. Die Ingenieure wählten den falschen Halbleiterrelais-Schalttyp für ihre Anwendung.

Verschiedene Arten von elektrischen Lasten erfordern unterschiedliche Schaltkonzepte. Widerstandslasten, wie z. B. Heizelemente, funktionieren am besten, wenn der elektrische Strom gleichmäßig von Null anfängt zu fließen. Auf diese Weise werden Spannungstransienten und elektromagnetisches Rauschen vermieden.

Bei induktiven Lasten wie Motoren ist das anders. Motoren erfordern eine schnelle Schaltreaktion, unabhängig von der Position der Wechselstromwellenform. Dies ist auf die inhärente Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung in Motoren zurückzuführen, ein Merkmal induktiver Schaltungen.

Die elektrischen Eigenschaften dieser verschiedenen Lasten führen zu völlig unterschiedlichen Schaltanforderungen. Die Verwendung des falschen Schalttyps kann die Probleme verursachen, die Ingenieure in ihren Systemen vorfinden. Abbildung 1 veranschaulicht das Phänomen des Einschaltens im Nulldurchgang und des zufälligen Einschaltens, die für ohmsche bzw. induktive Lasten geeignet sind.

Abbildung 1: Spannungswellenformen mit Durchlasszeiten (grüne Bereiche) für verschiedene Schaltmodi. Das Schalten im Nulldurchgang minimiert Transienten, während das sofortige Schalten eine unmittelbare Reaktion bei zeitkritischen Anwendungen ermöglicht. (Bildquelle: Littelfuse)

Diese Diskrepanz schafft mehrere Probleme. Spannungstransienten beschädigen empfindliche elektronische Geräte, und elektromagnetische Störungen machen teure Neukonstruktionen aufgrund von Konformitätsproblemen erforderlich. Die Lebensdauer der Geräte verkürzt sich erheblich, was die Systemleistung unberechenbar macht.

Die meisten Hersteller von Halbleiterrelais tragen nicht zur Lösung dieses Problems bei. Sie bieten generische Schaltmöglichkeiten mit sehr wenig Anwendungshinweisen. Das bedeutet, dass die Ingenieure die komplexe Lastkompatibilität selbst herausfinden müssen. Am Ende versuchen sie, durch Versuch und Irrtum herauszufinden, was funktioniert. Dies verzögert Projekte und erhöht die Kosten.

Littelfuse bietet anwendungsangepasste Schaltungstechnologie, die speziell für die Lastcharakteristiken mit IXYS-Halbleitern und Direct-Bonding-Technologie entwickelt wurde. Modelle wie das SRP1-CBAZH-050NW-N und das SRP1-CRAZH-050TC-N eliminieren elektrische Transienten, indem sie bei Nulldurchgängen der Wechselspannung präzise schalten. Diese Modelle eignen sich gut für die Steuerung von Heizungsanlagen bis zu 24 kW bei 600 VAC mit minimalen elektromagnetischen Störungen.

Abbildung 2: Von links nach rechts: Halbleiterrelais SRP1-CR, SRP1-CB und SRP1-CB...F von Littelfuse. (Bildquelle: Littelfuse)

Für Motor- und induktive Anwendungen, die eine sofortige Reaktion erfordern, werden die sofort schaltenden Modelle, einschließlich des SRP1-CBARH-050NW-N und des SRP1-CRARH-050TC-Nangeboten, die sofort nach Erhalt des Steuersignals aktiviert werden. Sie bewältigen anspruchsvolle Motoranlaufeigenschaften für die industrielle Hochleistungsautomatisierung. Dieser anwendungsspezifische technische Ansatz gewährleistet eine zuverlässige Performance von der ersten Installation an. Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Varianten der Halbleiterrelais von Littelfuse.

Richtlinien für Nennstrom und Sicherheitsmargen

Warum unterdimensionieren Ingenieure Halbleiterrelais immer wieder, obwohl sie die Datenblätter der Hersteller befolgen? Es besteht eine Diskrepanz zwischen Laborspezifikationen und realen Betriebsbedingungen.

Die aktuellen Nennströme scheinen auf den ersten Blick korrekt zu sein. Doch dann entdecken die Ingenieure Probleme. Heizelemente nehmen beim Kaltstart das 1,4-fache ihres Nennstroms auf, und die Umgebungstemperaturen können die Bemessungsgrundlage von +40°C überschreiten. Dieses Szenario erfordert eine erhebliche Leistungsminderung. Auch eine unzureichende Dimensionierung der Leitungen führt zu einer weiteren Reduzierung der Stromkapazität. Diese Faktoren schaffen ein komplexes Umfeld für Spezifikationen. Unterdimensionierte Komponenten fallen vorzeitig aus. Überdimensionierte Geräte verschwenden Geld und Platz in der Schalttafel.

Die meisten Anbieter von Halbleiterrelais verschärfen dieses Problem, indem sie grundlegende Stromwerte mit minimalem Anwendungsbezug angeben. Ingenieure erhalten Zahlen aus Datenblättern, ohne die Betriebsannahmen, Sicherheitsmargen oder realen Leistungsminderungsfaktoren zu verstehen. Diese Herausforderung zwingt zur Interpretation durch kostspielige Versuchsmethoden, die Projekte verzögern und oft zu Komponentenausfällen führen, die mit einer angemessenen Anleitung von Anfang an hätten verhindert werden können.

Abbildung 3: Die Auslegungsrichtlinien für Halbleiterrelais von Littelfuse zeigen einen Leistungsminderungsfaktor von 20% für Heizanwendungen. Die Leistungswerte stellen die maximale sichere Heizleistung für jede Halbleiterrelais-Bewertung bei Standard-Wechselspannungen dar. (Bildquelle: Littelfuse)

Littelfuse bietet eine detaillierte Anleitung zur Stromstärke (Abbildung 3) durch klare Spezifikationen, die das Rätselraten eliminieren.

• 10A-Modelle, wie das SRP1-CRAZL-010TC-N, verarbeiten sicher 8A-Heizströme und ermöglichen Anwendungen von 960 W bis 4,8 kW, während sie gleichzeitig einen integrierten TVS (Transient Voltage Suppressor) als Schutz für elektrische Umgebungen bieten.
• 25A-Versionen, wie das SRP1-CBAZL-025NW-N, bewältigen 20A-Lasten und unterstützen Systeme von 2,4 kW bis 12,0 kW durch das Schalten bei Nulldurchgang für Heizanwendungen.
• 50A-Einheiten steuern 40A-Anwendungen und versorgen Geräte von 4,8 kW bis 24,0 kW.

Jede Spezifikation enthält konservative Auslastungsfaktoren von 75% bis 80% und detaillierte Temperatur-Leistungsminderungs-Daten, die zeigen, dass intelligentes thermisches und elektrisches Stressmanagement zu einer verlängerten Lebensdauer führt.

Schutz vor Spannungsspitzen und elektrischen Transienten

Elektrische Transienten treten in industriellen Umgebungen häufig auf. Dazu gehören Blitzüberspannungen in Stromleitungen und die Erzeugung von Gegen-EMK bei Motorschaltvorgängen. Störungen im Versorgungsnetz verursachen ebenfalls Spannungsspitzen von über 1200 V. Auch wenn jedes Ereignis nur wenige Mikrosekunden dauert, kann es Halbleiterrelais und andere mit ihnen verbundene Geräte beschädigen. Im Laufe der Zeit können die kumulativen Schäden vieler kleinerer Transienten Teile zerstören und schließlich die Produktion stoppen.

Der konventionelle Ansatz erfordert externe Komponenten für den Überspannungsschutz, was zusätzlichen Platz in der Schalttafel, eine komplexe Verdrahtung und eine sorgfältige Koordinierung der verschiedenen Schutzstufen erfordert. Viele Halbleiterrelais-Anbieter bieten Basisgeräte ohne integrierten Schutz an und zwingen die Ingenieure, separate Überspannungsschutzsysteme zu entwickeln. Externe Schutzvorrichtungen führen jedoch durch zusätzliche Verbindungen zu Fehlerquellen und reagieren aufgrund von parasitären Induktivitäten und Reaktionsverzögerungen möglicherweise nicht schnell genug.

Abbildung 4: Interne Funktionsblöcke mit Optokoppler-Isolierung, Triggerzeitsteuerung (Nulldurchgang oder unverzögert) und antiparalleler Thyristor-Ausgangskonfiguration für bidirektionales AC-Schalten. (Bildquelle: Littelfuse)

Littelfuse bietet mit der Serie SRP1-CR einen integrierten Schutz, bei dem TVS-Dioden der Serie SMBJ direkt in das Halbleiterrelais-Gehäuse integriert sind. Abbildung 4 veranschaulicht die internen Funktionsblöcke mit der Optokoppler-Isolation und der Triggerzeitsteuerung, die diesen integrierten Schutzansatz ermöglichen. Dieser Schutz auf Komponentenebene reagiert innerhalb von Nanosekunden und klemmt Spannungsspitzen zwischen 900 bis 1200 V_Spitze ab, bevor ein Schaden entsteht.

Modelle wie das SRP1-CRAZH-050TC-N für Heizungsanlagen und das SRP1-CRARH-050TC-N für die Motorsteuerung verfügen über einen integrierten Überspannungsschutz, der für die jeweilige Anwendung optimiert ist. Sie sind ideal für elektrisch raue Umgebungen mit frequenzvariablem Antrieb, in denen Gegen-EMK-Transienten eine häufige Bedrohung darstellen.

Das integrierte Design macht externe Komponenten überflüssig und bietet Schutz genau dort, wo er im Schaltkreis benötigt wird. Dieser Ansatz weist im Vergleich zu ungeschützten Alternativen eine höhere Zuverlässigkeit auf und bietet einen vollständigen Schutz gegen elektrische Transienten.

Lösungen zur Wärmeableitung und Temperaturkontrolle

Während sich die meisten Ingenieure auf die elektrischen Spezifikationen konzentrieren, bestimmt die thermische Auslegung die tatsächliche Lebensdauer von Halbleiterrelais. Die Wärmeentwicklung während des Betriebs scheint überschaubar, bis die Sperrschichttemperaturen sichere Grenzen überschreiten. Die Halbleiterdegradation beginnt unbemerkt, was zu einer unbeständigen Performance führt.

Die Herausforderung fängt im Kleinen an, wo die meisten Anwendungen oberhalb der Standard-Bemessungsgrundlage von +40 °C betrieben werden und eine Stromreduzierung erfordern, die in den Spezifikationen zwar erwähnt, aber nicht hervorgehoben wird. Hinzu kommen Unstimmigkeiten an der Wärmeschnittstelle durch unsauberes Auftragen der Wärmeleitpaste, unzureichende Dimensionierung des Kühlkörpers und schlechte Umgebungsluftströmung. Was wie eine einfache Aufgabe des Wärmemanagements aussieht, wird zu einer komplexen technischen Herausforderung mit erheblichen Kostenfolgen.

Littelfuse bietet mit der SRP1-Serie ein integriertes Wärmemanagement, das alle Aspekte der Wärmeregulierung in eine Komplettlösung einbezieht. Vorgefertigte Wärmeleitpads eliminieren Installationsvariablen und gewährleisten eine gleichmäßige Wärmeübertragung ohne unordentliche Verbindungen. Die Halbleitertechnologie von IXYS und die Direct-Bonding-Technologie sorgen für verbesserte Wärmeableitungseigenschaften im Vergleich zu Standardkomponenten. Detaillierte thermische Leistungsminderungskurven ermöglichen eine präzise Auswahl des Kühlkörpers für jede Betriebsbedingung.

Abbildung 5: Laststromgrenzen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und dem Wärmewiderstand des Kühlkörpers (°C/W). Wesentlich für die Vermeidung von thermischen Ausfällen in industriellen Hochtemperaturanwendungen. (Bildquelle: Littelfuse)

Abbildung 5 zeigt die Kurve des Laststroms in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur für verschiedene thermische Szenarien. Die 50A-Modelle, wie das SRP1-CBAZH-050NW-N und das SRP1-CRAZH-050TC-N, behalten ihre volle Strombelastbarkeit bis zu +50 °C bei, und zwar mit einem geeigneten Kühlkörper mit 0,7 °C/W. Sie liefern immer noch 35 A Leistung bei 1,5 °C/W Kühlung bei +40°C Umgebungstemperatur. Dadurch eignen sie sich gut für Anwendungen wie die Steuerung von Heizungen in industriellen Hochtemperaturumgebungen.

Testergebnisse und Daten zur Leistungsvalidierung

Unabhängige Vergleichstests bestätigen die Leistungsansprüche von Littelfuse. Bei einem identischen 750.000-Zyklen-Dauertest mit doppeltem Nennstrom schnitt die SRP1-Serie von Littelfuse deutlich besser ab als drei große Wettbewerber (Abbildung 6). Während die Littelfuse-Komponenten den gesamten Testzyklus durchliefen, versagten die Komponenten der Wettbewerber bei 200K, 130K bzw. 60K Zyklen. Bei Wettbewerber 3 kam es zu katastrophalen Halbleiterexplosionen, die ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Abbildung 6: Visueller Vergleich der internen Halbleiterrelais-Schäden nach dem Dauertest, mit entfernter oberer Abdeckung und detaillierten Fehlermodi. (Bildquelle: Littelfuse)

Die Analyse nach dem Ausfall zeigte thermische Ermüdungsschäden in den Komponenten der Wettbewerber, was die Effektivität der IXYS-Halbleitertechnologie, der Direct-Bonding-Technologie und des Wärmemanagements von Littelfuse belegt. Diese Validierung in der Praxis beweist, dass der integrierte Vier-Säulen-Ansatz von Littelfuse eine messbar verbesserte Zuverlässigkeit bietet. Das Ergebnis macht die SRP1-Serie zur ersten Wahl für kritische industrielle Anwendungen und erfüllt gleichzeitig die Normen für die Konformität mit cЯUus, CE und RoHS.

Fazit

Die SSRs der Serie SRP1 von Littelfuse erfüllen die vier technischen Herausforderungen, die zu Ausfällen von Halbleiterrelais in der Industrie führen. Anwendungsangepasste Schalttypen eliminieren elektromagnetische Störungen, und konservative Sicherheitsmargen verhindern Ausfälle durch Unterdimensionierung. Der integrierte Überspannungsschutz bewältigt elektrische Transienten, während das fortschrittliche Wärmemanagement die Lebensdauer verlängert. Tests unter realen Bedingungen bestätigten die überragende Leistung, die 750.000 Zyklen erreichte, verglichen mit den Ausfällen der Wettbewerber bei 200.000 Zyklen oder weniger. Dieser technische Ansatz gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb von der Installation bis zum jahrelangen, anspruchsvollen industriellen Einsatz.