Tag: 固态继电器原理图

空调内机PG电机调速控制用固态继电器工作可靠性分析与研究

在售后使用失效故障突出,经分析主要故障为输出测6、8脚短路,以及厂家物料短路问题一直是空调生产企业难题,问题长期存在没有得到有效解决方案,严重影响产品质量。本文通过对大量

固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件。它利用电子元件(如晶体管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点的接通与断开电路的目的,所以它又被称为“无触点开关”。 固态继电器具有控制灵活、工作寿命长、可靠、体积小、开关速度快、无机械触点、防爆耐震与驱动电压低、电流小等很多优点,使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。作为空调内机控制器中的重要电路,固态继电器一旦失效,将导致空调内机无法出风,因此研究PG电机驱动电路、固态继电器的失效模式、失效机理非常重要,采取有效方案解决全面提升PG电机驱动电路的整体工作的可靠性,具有非常重要的意义。

家用空调使用固态继电器在售后实际工作故障失效突出,统计售后使用时间无规律。固态继电器在行业应用中最突出问题也就是输出短路,多数情况下,固态继电器的输出端受应用环境电网的冲击,以及驱动负载的影响,输出端烧、短路故障较多,经过多年的跟踪空调实际应用维修数据,严重影响空调售后故障率,问题急需进行攻克解决。

固态继电器属于半导体元件,本文讲述的为空调驱动内机PG电极使用的交流固态继电器,如图1所示,输入端为发光二极管,输出端为可控硅。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号,达到直接驱动大电流负载。

通过对售后大量固态继电器的失效分析,分析导致固态继电器失效原因主要有输出端过电击穿短路,以及厂家物料生产环节本身封装绑定不良(塌丝、断线、银浆附着晶圆)。

失效故障品批次不集中,X光检查内部封装与绑定无异常,测试性能输出端击穿短路,输入端二极管测试无异常,对失效样品开封分析,树脂开封结果分为2类,晶圆表面可以看到过电损伤痕迹,以及晶圆表面无损上痕迹。

1)晶圆表面可以看到过电损伤痕迹如下图2所示,输出端过电压导致晶圆击穿产生不良,晶圆破坏处的剖面模式如图3所示,从电气症状来看分析为外部负载端过电压导致。

2)晶圆表面开封无损伤痕迹,如图4 所示,从电气特性(8 pin→6 pin)短路来看,破坏处是等效电路和剖面模式如图5所示。故障品的晶圆内部破坏,故障点难以确认,具体为过流还是过压失效很难判断。

A厂家物料本身封装绑定不良按照失效原因可以分为4大类,生产环节本身封装绑定不良(塌丝、断线、银浆附着晶圆)是主要失效因素。

如表1所示,主要是厂家工艺、设备、人员操作方面等失控,造成故障品流出,且失效品故障批次相对集中,通过实际对故障品的失效分析,找出故障原因,并制定相应整改措施,从设备,工艺方面已改善。改善后制品使用效果良好,再未出现故障。

失效固态继电器应用于我司空调内机主板上,驱动电路如图6所示,主要用来驱动内机交流PG电机,使内机贯流风叶按照设定风速档出风。PG电机控制电路采用固态继电器为控制电机的核心,通过内部程序根据反馈的转速进行运算后输出脉冲波形控制固态继电器中的可控硅导通角度,从而达到控制电机转速的目的。

交流型固态继电器工作原理如下图7所示,交流型固态继电器有过零触发,所谓“过零”是指, 当加入控制信号, 交流电压过零时, SSR 即为通态; 而当断开控制信号后, SSR 要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位) 时,SSR 才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。既过零触发型AC- SSR 是当交流负载电源电压经过零点( Ut= 0) 时, 负载电流才被接通。

AC输出型负载侧受到较大噪音和浪涌时, 可能会引起SSR误动作或损坏的情况, 此时要接入压敏电阻;输入侧受到较大噪音和浪涌时, 可能会引起SSR误动作或损坏。此时要接入由C、R 等形成的噪音吸收线路。

输出端整机波形验证测试分析,测试数据如图8所示,当在220 V、60 Hz电源供电加7%的谐波(2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次),此时最大峰值电压为504 V,而固态继电器6,8脚之间峰值电压已达716V。经测试发现相当部分输出端耐压无法达到要求的600 V,甚至在无法承受400 V的电压;测试显示当电压施加到400 V时不会马上被击穿,稍等两分钟就出现击穿现象。实际使用中压敏电阻的动作电压在600 V左右,当电网中出现浪涌电压时SSR就会直接被击穿短路,而压敏电阻还是好的。

物料封装绑定不良,为厂家生产环节各方面因素导致,厂家已针对性改善,物料可靠性明显提高,且提高了输出端耐电压,且延长漏电流测试时间,物料输出端抗耐压性能明显提高。电路方面通过对电路进行优化改善,抗浪涌电压能力明显提高,电路可靠性明显提高。

将阻容模块由原来的 0.1 μF+120 Ω改为0.1μF+360 Ω;电感由原来的200 μH改为260 μH,其它都不变.原固态继电器损坏的原因主要是线路上的谐波与阻容模块的电容及电机的电感产生振荡,致使固态继电器6、8脚电压超过600 V。

根据PG电机待机状态下的等效电路,若加大阻容模块的电阻,则在相同的谐波电压下,谐波电流会降低,加在固态继电器6~8脚之间的谐波电压自然降低。

将PG电机控制电路中阻容模块原来的0.1 μF+120Ω改为0.1 μF+360 Ω;电感由原来的200 μH改为260 μH,能有效地降低电网中谐波电压对固态继电器的损伤,也解决了雷击浪涌电压造成的固态继电器承受过高电压的问题。增加阻容模块中的电阻值,会使EMC中的传导变差,但可以通过增加电感值使该问题得到解决。

A厂家针对固态继电器测试筛选,对输出端性能参数测试条件进行提高,具体参数测试条件更改如下图9所示,对输出端漏电流,抗耐压性进行提高,使产品性能更可靠。

通过产品实际应用过程中的问题反馈信息及对器件单体及应用电路综合分析,本文从固态继电器的失效机理、失效因素、器件应用等多方面进行分析。

通过对PG电路中阻容模块,以及电感量进行提高优化后,能有效地降低电网中谐波电压对固态继电器的损伤,也解决了雷击浪涌电压造成的固态继电器承受过高电压的问题。原厂物料再原有标准上再次提升输出端耐压、以及扩大测试电流时间,收严标准,整体提高控制力度从而改善产品质量,从而改善产品质量,且效果明显。

通过此次优化整改,电路方面抗外界电网冲击性能更可靠,对器件失效整改,要从器件单体及应用电路、工作环境等进行详细有效测试评估,与实际使用环境及使用位置进行综合分析,将固态继电器输出端耐压测试评估要求纳入入厂检标准,可提前较好测试把关提高产品质量,提高固态继电器工作可靠性,降低过程及应用中后失效率。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第12期第64页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

【E课堂】固态继电器的分类与工作原理

(Solid State Relays,缩写SSR)是一种无触点电子开关,由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片,采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出电路)的电隔离及信号耦合,由固态器件实现负载的通断切换功能,内部无任何可动部件。尽管市场上的型号规格繁多,但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路,驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。

固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路,使之成为固态继电器的触发信号源。固态继电器的输入电路多为直流输入,个别的为交流输入。直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路,在输入电压达到一定值时,电流不再随电压的升高而明显增大,这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。

固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路,目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光-三极管、光-双向可控硅、光-二极管阵列(光-伏)等。高频变压器耦合,是在一定的输入电压下,形成约10MHz的自激振荡,通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。

固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下,实现固态继电器的通断切换。输出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成,有时还包括反馈电路。目前,各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。

固态继电器原理 固态继电器(Solidstate Relay, SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关,利用电子组件(如开关三极管、双向可控硅等半导体组件)的开关特性,达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈簧片触点式”继电器(Electromechanical Relay, EMR),SSR没有任何可动的机械零件,工作中也没有任何机械动作,具有超越EMR的优势,如反应快、可靠度高、寿命长(SSR的开关次数可达108109次,比一般EMR的106高出百倍)、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐特性。这些特点使SSR在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。固态继电器的控制信号所需的功率极低,因此可以用弱信号控制强电流。同时交流型的SSR采用过零触发技术,使SSR可以安全地用在计算机输出接口,不会像EMR那样产生一系列对计算机的干扰,甚至会导致严重当机。比较常用的是DIP封装的型式。控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类,因此会有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四种型式,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用.

按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(ACSSR)和直流固态继电器(DCSSR)。ACSSR是以双向晶闸管作为开关器件,用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。ACSSR的控制触发方式不同,又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型ACSSR是当控制信号输入后,在交流电源经过零电压附近时导通,故干扰很小。随机导通型ACSSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断,因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。

过零触发型ACSSR为四端器件。1、2为输入端,3、4为输出端。R0为限流电阻,光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开,V1构成反相器,R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路,UR为双向整流桥,由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲,R3、R7为分流电阻,分别用来保护V3和V4,R8和C组成浪涌吸收网络,以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流,防止对开关电路产生冲击或干扰。

要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处,而一般是指在10~25V或-(10~25)V区域内进行触发,如图2所示。图中交流电压分三个区域,Ⅰ区为-10V~+10V范围,称为死区,在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。Ⅱ区为10~25V和-(10~25)V范围,称为响应区,在此区域内只要加入输入信号,SSR立即导通。Ⅲ区为幅值大于25V的范围,称为抑制区在此区域内加入输入信号,SSR的导通被抑制。

当输入端未加电压信号时,光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止,V1饱和,V3和V4因无触发电压而截止,此时SSR关闭。当加入输入信号时,光耦合器中的发光二极管发光,光敏晶体管饱和,使V1截止。此时若V3两端电压在-(10~25)V或10~25V范围内时,只要适当选择分压电阻R4和R5,就可使V2截止,这样使V3触发导通,从而使V 4的控制极上得到从R6URV 3URR7或反方向的触发脉冲,而使V4导通,使负载接通交流电源。而若交流电压波形在Ⅲ区内时,则因V2饱和而抑制V3和V4的导通,而使SSR被抑制,从而实现了过零触发控制。由于10~25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此,一般就将过零电压粗略地定义为0~25V,即认为在此区域内,只要加入输入信号,过零触发型ACSSR都能导通。

当输入端电压信号撤除后,光耦合器中的光敏晶体管截止,V1饱和,V3截止,但此时V4仍保持导通,直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时,SSR才转为截止。

SSR的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。若负载为电动机一类的感性负载,则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/s)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/s),因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管,一方面可提高输出功率;另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力,这种SSR称为增强型SSR。