До недавнего времени задача управления системами питания решалась при помощи электромагнитных механических реле. Известные недостатки электромеханических реле, такие как невысокая скорость работы, ограниченность электрического и механического ресурса, радио-помехи во время замыкания и размыкания контактов, возникновение проблем во время коммутации высоковольтных и индуктивных нагрузок на постоянном токе, привели к созданию функционально эквивалентных электронных приборов – твердотельных реле (ТТР) с гальванической развязкой.
Применение в конструкции ТТР современных решений в области микроэлектроники позволило осуществить переход к силовым коммутаторам в интегральном исполнении, использование которых в рамках гибридной технологии позволило придать им дополнительные функциональные возможности и сервисные функции. Современные ТТР уже по всем параметрам превзошли электромагнитные механические реле. Их отличают следующие свойства:
- высокое быстродействие;
- низкое электропотребление (на 95% меньше, чем у обычных реле);
- большая надёжность и долговечность (свыше миллиарда срабатываний);
- отсутствие механических деталей, подверженных износу;
- больший температурный диапазон эксплуатации;
- неизменное контактное сопротивление в течение всего срока службы;
- отсутствие шума, дребезга и «пригорания» контактов при коммутации;
- совместимость по входу с логическими микросхемами стандартных серий;
- большая виброустойчивость и ударопрочность;
- высокое сопротивление изоляции корпуса;
- высокий уровень изоляции между входными и коммутируемыми цепями;
- возможность работы во взрывоопасной среде (отсутствие дугового разряда).
Твердотельное реле наряду с основной функцией по применению в аппаратуре – коммутация или гальваническая развязка – позволяет диагностировать состояние коммутируемой нагрузки, информировать о её статусе и предотвращать перегрузку в коммутируемой цепи.
Одним из предприятий, выпускающим полупроводниковые приборы силовой электроники модульного типа с выходными каскадами на тиристорах и IGBT-транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором), является ЗАО «Протон-Импульс» (г. Орёл). В настоящее время предприятие завершает разработку четырёх новых базовых исполнений ТТР с различными величинами коммутируемого тока и напряжения (см. таблицу 1).
Электрические, механические и надёжностные характеристики этих приборов позволяют использовать их в изделиях специального назначения. Кроме того, в этих приборах возможно добавление функций контроля статуса выхода и защиты от перегрузки в коммутируемой цепи.
Применяемая в ТТР базовая схема силового транзисторного ключа является универсальной. Она позволяет применять эти приборы для коммутации как переменного, так и постоянного тока в двухполярном и однополярном включениях (см. рисунок). Соответственно, последовательное подключение двух ТТР при подаче противофазных сигналов управления позволяет производить переключающую коммутацию в одной цепи. Аналогично решается задача для трёх и более цепей включения либо переключения.
В ходе работы над новыми ТТР предусмотрены следующие конфигурации узлов:
- DC/DC-преобразователь, управляемый ШИМ-контроллером, включающий трансформатор на ш-образном сердечнике с зазором, обеспечивающий повышенную стойкость к воздействию электромагнитных помех, и выпрямитель на диодах Шоттки;
- схемы разряда, обеспечивающие требуемые времена фронтов, задержек включения и выключения каналов ТТР;
- схемы контроля и формирования сигнала о статусе коммутируемой нагрузки, контроля и защиты при коротком замыкании в нагрузке и срабатывания защиты, управляемой аналоговыми компараторами.
Новые ТТР изготовлены на базе кристаллов n-канальных силовых транзисторов, выполненных по технологии n-МОП с вертикальным каналом, с технологическими нормами не более 1,0 мкм, ультранизким сопротивлением канала и высокой стойкостью к воздействию специальных факторов – 3УС, 1К. Основные параметры разрабатываемого ряда ТТР приведены в таблице 2.
В заключение следует особо отметить, что данные ТТР охватывают большой диапазон коммутируемых токов и напряжений с необходимым уровнем защиты, что позволяет использовать их в различных изделиях специального назначения. Сейчас, когда объявлено о необходимости импортозамещения электронных приборов, это особенно важно.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
