Анализ тенденций развития твердотельных реле средней и большой мощности как класса приборов для изделий специального назначения

Вступление

Если внимательно посмотреть на рынок российских производителей твердотельных реле (solid-state relay) специального назначения, то окажется, что их можно пересчитать на пальцах одной руки.

Что представляет собой твердотельное реле? На первом этапе это была гибридная сборка с гальванической (оптической или трансформаторной) развязкой и схемой управления (включения/ выключения) выходных силовых полупроводниковых элементов (транзисторов, тиристоров и пр.).

В дальнейшем стало понятно, что в выходной каскад твердотельного реле можно защитить:

• от превышения тока
• от тока короткого замыкания
• от превышения напряжения от перегрева,
• и своевременно сообщить о включении защиты или о выходе из строя реле посредством статусного сигнала.

Так твердотельные реле начали эволюционировать.

Особенности

Рассмотрим один из элементов твердотельного реле: гальваническую развязка. Среди разработчиков до сих пор не утихают споры что лучше: оптическая или трансформаторная.

Трансформаторная развязка известна с давних пор и ее несомненным преимуществом является высокое быстродействие реле (единицы микросекунд) и высокие показатели стойкости к воздействию спецфакторов — до 4У. Однако не стоит забывать о ее недостатках: большие габариты, масса, (а следовательно меньше устойчивость к механическим воздействиям) сложность настройки и поддержания заданных параметров, а также при коммутации постоянного тока необходимость включения в схему управления реле генератора переменного тока с последующим преобразованием его в постоянный после развязки.

Оптронная развязка же обладает следующими преимуществами: малые габаритные размеры, масса, простота и удобство в применении, исключение из схемы лишних элементов (преобразователей DC/AC и AC/DC), в качестве недостатков можно назвать высокую стоимость по сравнению с другим видом развязки и максимальную стойкость к внешним воздействующим факторам на уровне 2У, а также верхний предел температурного диапазона в пределах +85 ... 125 С.

Кроме того, существует «фобия» у многих разрабочиков, что со временем светодиод в оптороне деградирует, в связи с чем срок службы всего изделия существенно уменьшается. Как правило, производители твердотельных реле специального назначения указывают минимальный ток управления реле на уровне 10мА. Для чего? Фактически светоизлучающий диод начинает излучать свет при пропускании тока величиной 2мА, а уровень в 10мА выбран с учетом возможного изменения свойств светодиода, а также позволяет существенно ускорить скорость включения реле. Т.е. производитель уже учел этот фактор в своих изделиях и разработчикам не стоит переживать по этому поводу.

Кроме того, есть пожелания разработчиков о снижении величины управляющего сигнала для твердотельного реле до уровня 5-7 мА чтобы можно было управлять твердотельным реле напрямую с контроллера или микропроцессора. Однако эти пожелания трудно реализуемы, т.к. перед их выполнением необходимо внимательно посмотреть на уровень «шумов» в аппаратуре, чтобы случайный «шум» величиной в 1-2 мА не стал сигналом для включения реле.

Реле категории «MILITARY»

В настоящее время иностранные производители твердотельных реле категории «MILITARY» выпускают их в металлостеклянных корпусах. Также у разработчиков пользуются спросом твердотельные реле в пластмассовых корпусах с керамической теплопроводящей подложкой категории INDUSTRY.

Причем интересен тот факт, что иностранные производители твердотельные реле позиционируют их как класс приборов, которые коммутируют относительно небольшие токи:
— однополярный постоянный ток (выходной каскад МОП-транзистор):
Micropack Industries 53506 series (5А, 10А, 15А/ 90 VDC), 53507 series (10А, 15А, 25А/ 100 VDC), 53513 series (5А, 10А, 15А/ 100 VDC), 53514 series (5А, 10А, 15А/ 100 VDC)
National Hybryd Inc. 90 000 series (10А, 20А/ 28...270 VDC)
Teledyne Relays: LD00KQ (20A/ 270 VDC), LD00KM (10A/ 270 VDC), PC270 series, PC 028 series
Clare: CPC1708 (24A/ 60VDC), CPC1709 (32A/ 60VDC), CPC1718 (32A/ 100VDC), CPC1727 (20A/ 250VDC), CPC1777(1779) (15A/ 600VDC); CPC1998, CPC40055ST, CPC44055ST (20A/ 800VAC)
Leach International: P170 (15A/28VDC), P150 (30A/ 28VDC), P140 (1...10A/28VDC)
International Rectifire: RDHA 7205SF06A1NK (20A/60VDC);
RDHB710SE20A2SX(10A/100...200VDC) — двухканальные
— постоянный ток любого направления (путем встречно-параллельного включения МОП-транзисторов выходного каскада) и переменный ток частотой до 400 Гц:
Teledyne Relays: QB (±7,5A/ 150V)
Clare: CPC1909 (±15A/ 60V), CPC1908 (±15A/ 60V), CPC1918 (±15A/ 100V), CPC1927 (±15A/ 250V), CPC1967 (±13A/ 400V), CPC1977 (±12A/ 600V)
— переменный ток частотой до 400 Гц (выходной каскад выполнен на симисторах (тиристорах):
Teledyne Relays: 652 series (25A/ 250 VAC), KA/LA (7,5A/ 250 VAC)
Tyco Electronics JSP10 (25А/ 250 VAC)
Leach International: P111 (25A/250 VAC)

Отечественные производители частично восполнили нишу твердотельных реле категории «MILITARY» на российском рынке:

1. Micropack Industries 53514 series (5А, 10А, 15А/ 100 VDC) есть российские аналоги с характеристиками 5А, 10А, 20А/ 60...200 VDC и с 20А/ 100 VDC.
2. Teledyne Relays: LD00KQ (10A/ 80 VDC) есть российский аналог 2609КП1П ЗАО Протон-Импульс 10А/ 100VDC; RA00HQ (25А/ 250 VAC) есть российский аналог ЗАО Протон-Импульс ОКР «Радуга» (25А/ 250 VAC).
3. Clare CPC1708 (24A/ 60VDC) есть российские аналоги, в т.ч.2609КП2П ЗАО Протон-Импульс (20A/100VDC); CPC1918 (±15A/ 100V) есть российский аналог 2609КП3П ЗАО Протон-Импульс (±10A/ 100V).
4. International Rectifire: RDHA 7205SF06A1NK (20A/60VDC) есть российский аналог с характеристиками 5А/ 60VDC; есть российский аналог 2609КП2П ЗАО Протон-Импульс (20A/100VDC)
5. Leach International P170 (15A/28VDC) есть российский аналог с характеристиками 10А/28VDC.

Как мы видим, дальнейшее развитие линеек твердотельных реле в едином металлостеклянном корпусе ни у отечественных, ни у западных производителей не получило широкого распространения и ограничено током в 25-30А. Неужели коммутировать большие токи твердотельными реле невозможно? Может быть удел твердотельных реле быть промежуточными реле между микропроцессором (контроллером) и мощным контактором?

Если посмотреть на рынок устройств, коммутирующих токи более 25А, на российском рынке мы увидим только электромагнитные контакторы, например типа КНЕ производитель ГК ЧЭАЗ или ТКС/ТКД производитель ОАО Вэлконт, для иностранных разработчиков это электромагнитные реле производства Leach International, Teledyne Relays, Tyco Electronics и пр.

То есть ничего другого, кроме электромагнитных контакторов и нет, хотя вся современная промышленность активно применяет мощные твердотельные реле на токи до 250А.

Точно такая же ситуация складывалась и у иностранных производителей твердотельных реле, но только это было в далеких 1980-х.

Токи более 25А

Тогда рядом западных компаний, таких так Data Device Corporation, Sensitron Semiconductor и пр. были установлены новые требования к твердотельным реле — устройствам, коммутирующим большие токи — до 300А:

• защита от превышения напряжения, тока и температуры
• контроль времени включения/ выключения устройства
• программирование уровня включения (срабатывания) защит,
  управление устройством посредством цифровых сигналов по CAN-интерфейсу
• наличие системы мониторинга состояния устройства
• снижение габаритных и весовых характеристик
• отсутствие требования применения охладителей
• параллельное включение выходных каскадов для увеличения мощности коммутируемой нагрузки
• размещение сборки элементов на печатной плате с многоканальным силовым разъемом

И в полном соответствии с установленными требованиями были разработаны и на протяжении десятилетий эволюционировали твердотельные реле нового поколения — твердотельные контроллеры нагрузки (solid-state power controller — SSPC), которые сейчас заменяют электромагнитные реле средней и большой мощности и тепловые реле в системах распределения электроэнергии техники специального назначения:
1. Data Device Corporation: RP-2621X00XNX (16 каналов по 25А для коммутации 238А/28VDC), RP-2630X00XNX (4 канала по 75А для коммутации 300А/28VDC), RP-2640X000NX (8 каналов по 25А для коммутации 200А/28VDC)

Рисунок 1. Архитектура 4-х канального твердотельного контроллера нагрузки (Solid-State Power Controller) фирмы Data Device Corporation

2. Sensitron Semiconductor: Diamondback Series (16 каналов по 25А для коммутации 210А/ 28VDC), (16 каналов по 25А для коммутации 244А/28VDC); Cobra Series (8 каналов по 25А для коммутации 150А/28VDC).

Рисунок 2. Архитектура 16-ти канального твердотельного контроллера нагрузки (Solid-State Power Controller) фирмы Sensitron Semiconductor.

Эти изделия лишены одного из главных недостатков (неудобств) твердотельных реле средней и большой мощности — наличия охладителей (радиаторов охлаждения), что существенно ухудшает массо-габаритные характеристики изделия, причем существует прямая линейная зависимость: чем больше коммутируемый ток, тем больше требуется охладитель.

Подобных твердотельных реле (solid state power controller), по заявлениям DDC, более 500 000 шт было установлено на изделия военного назначения, такие как боевая машина пехоты Bradley Fighting Vehicles, основной танк армии США M1A2 Abrams и пр.

Кроме того, в существующей западной концепции «полностью электрического самолета» твердотельные реле (твердотельные контролеры) являются основными элементами управления.

К сожалению, у отечественных разработчиков отсутствует или ограничен доступ к последним разработкам вышеописанных устройств категории military по соображениям безопасности наших западных «партнеров» и ограничительных санкций.

Альтернатива

Другим направлением явилось разработка универсальных силовых модулей (верхний чоппер, нижний чоппер, полумост, мост) с системой управления (драйвером) таких производителей как Semicron или CT-Concept, хотя в этом случае категория изделий только INDUSTRY и всю ответственность за ее применение разработчики берут на себя.

И то, и другое направление в российской действительности наталкивается на множество трудностей: от отсутствия элементной базы до необходимости развития технологий мирового уровня для производства подобных изделий.

Кроме того, отсутствует «философия» корпусов для твердотельных реле средней и большой мощности.

Так, многие Заказчики подобной электронной компонентной базы, требуют герметичные изделия в металлостеклянном корпусе с диаметром выводов 1,3...1,5 мм, позволяющих коммутировать токи не более 20А.

		Рисунок 3. Применение герметичных соединителей, устанавливаемых в металлический корпус при помощи сварки на боковую стенку. При увеличении коммутируемого тока, необходимо будет увеличивать не только диаметр вывода, но и площадь изолятора, обеспечивающего электрическую изоляцию металлических выводов от в металлического корпуса. И тут же возникает проблема нелинейного расширения материала выводов и изолятора (стекла) и разрушения изолятора большого размера при высоких вибрационных нагрузках. В тоже время, многие предприятия военно-промышленного комплекса применяют твердотельные реле средней и большой мощности категории INDUSTRY таких фирм как Crydom, Carlo Gavazzi и пр., но как правило это пластмассовые корпуса типа «hockey pack» с теплоотводящим основанием.
		Рисунок 4. Пример корпуса, позволяющего коммутировать до 100А переменного тока.Автору представляется интересным идея применения герметичных соединителей, устанавливаемых в металлический корпус при помощи сварки на боковую стенку так, как показано на Рисунке 3.При таком размещении, и силовые контакты, и управляющие будут размещаться в одном соединителе, что существенно облегчит монтаж изделий.Таким образом, при выборе такого варианта, решаются проблемы изоляции силовых контактов от корпуса, герметизация изделия и размещения твердотельного реле в металлический теплорассеивающий корпус. Внутри будут размещены элементы твердотельного реле, которые будут герметизированы крышкой.

Для твердотельных реле с выходом на МОП транзисторах возможно также параллельное включение выводов для увеличения коммутируемой нагрузки. Пример такого корпуса, позволяющего коммутировать до 100 А постоянного тока показан на Рисунке 4.

Насколько это будет удобно и применимо — решать конечно разработчикам.

Еще одной сложностью при разработке твердотельных реле средней и большой мощности специального назначения является необходимость размещения всех элементов на одной плоскости (керамике) для гарантированного обеспечения работоспособности изделия в условиях сильной вибрации. А подобное размещение не желательно, т. к. выходной каскад, который может выделять тепловую мощность при прохождении электрического тока, находится в непосредственной близости от схемы управления, что может повлечь сбои в ее работе. В твердотельных реле категории INDUSTRY эта проблема решается размещением схемы управления отдельно (на 2-м ярусе) от выходного каскада, который устанавливается на керамическую подложку.

Возвращаясь к эволюции твердотельных реле к твердотельным контроллерам, промежуточным звеном, своеобразным мостиком из прошлого в будущее, на первом этапе может стать разработка многоканальных твердотельных реле (4, 8, 16, 32-х — канальных) Первым шагом к этому стал ОКР «Универсал», проводимый ЗАО «Протон-Импульс», в рамках которого будет разработана серия многоканальных твердотельных реле: 4-х канальное реле (4 независимых реле в одном корпусе) с выходным каскадом на МОП-транзисторах для коммутации каждым каналом постоянного тока до 10А напряжением до 100В со скоростью включения до 5 мс (5 мкс при дополнительном питании); при параллельном включении выходов реле, такое реле уже представляет собой два реле, коммутирующих до 20А постоянного тока напряжением до 100 В или одно реле, позволяющее коммутировать до 40А постоянного тока напряжением до 100 В. Возможно исполнение с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми (при дополнительном питании) контактами. Частота коммутации нагрузки до 100 Гц (100 кГц при дополнительном питании)

3-х фазные реле с выходным каскадом на тиристорах для коммутации переменного тока до 16А напряжением до 420В, в т.ч. контролем перехода фазы коммутируемого напряжения через «0»; применение тиристоров позволяет полностью исключить выбросы напряжения при коммутации нагрузки

2-х канальные реле с выходным каскадом на МОП-транзисторах для коммутации постоянного тока до 16А напряжением до 100В со скоростью включения до 5 мс (5 мкс при дополнительном питании); возможно исполнение с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми (при дополнительном питании) контактами. Частота коммутации нагрузки до 100 Гц (100 кГц при дополнительном питании)

После разработки и освоении в производстве изделий по ОКР УНИВЕРСАЛ, планируется оснастить твердотельные реле специального назначения

• защитами от превышения тока,
• короткого замыкания,
• превышения напряжения,
• статусного сигнала о срабатывании защиты
• управлением по CAN-интерфейсу
• программированием уровня срабатывания защит

и таким образом освоить те вершины, которые до недолгого времени не были освоены, а все новинки отечественного ВПК базировались на разработках 50-х годов прошлого столетия или доступных иностранных разработках с заниженными характеристиками.

Заключение

Безусловно, разработчику самому придется решать, какую электронную или не электронную компонентную базу применять в своих изделиях, однако если вся мировая электроника для военной техники эволюционировала до SMART устройств, неужели мы будем искать свой, иной путь?

Использованные материалы и литература:

1. В.А. Пискарёв «Исследование вопросов повышения надежности и расширения возможностей бесконтактных реле».
2. Виктор Никитин «Станут ли твердотельные реле альтернативой реле элеткромагнитным?»; «Электронные компоненты» № 8, 2003 г.
3. Николай Абрамов «Основные параметры и особенности применения твердотельных реле ЗАО «Протон-Импульс»; Компоненты и технологии№ 6, 2005 г.
4. Александр Малащенко «История создания и развития реле»; Электронные компоненты № 9, 2004 г.
5. Micropack Industries Power Management Power Switching and Overload Protection http://www.micropac.com/
6. Teledyne Relays Mil-Aero Solid State Relays http://teledynerelays.com/
7. National Hybryd Inc. http://www.nationalhybrid.com
8. Clare, Inc. Optically Isolated Solid State Power Relays (MOSFET-Based) http://www.claremicronix.com/
9. Leach International Solid State Power Controllers http://www.esterline.com
10. International Rectifire HiRel components RadHard and Hermetic MOSFETs http://www.irf.com/
11. Tyco Electronics Relays, Contactors and Switches Solid State Relays http://www.te.com/
12. Data Device Corporation Solid-State Power Controllers http://www.ddc-web.com/
13. Sensitron Semiconductor Solid State Power Management http://sensitron.com/
14. Crydom Solid State Relays and Contactors http://www.crydom.com
15. Многоканальные твердотельные реле с приёмкой «5» http://www.proton-impuls.ru

h