Paramètres de conception courants que les ingénieurs doivent prendre en compte lors de la sélection de relais statiques

Dans la plupart des usines, les problèmes avec les relais statiques (SSR) résultent souvent de paramètres de conception incorrects. Les quatre paramètres de conception importants à prendre en compte lors du choix d'un SSR sont la gestion thermique, la sélection du type de commutation, l'interprétation du courant nominal et la protection contre les surtensions. Cet article couvre en profondeur ces quatre paramètres de conception et explique comment les produits SSR de Littelfuse et leurs variantes permettent de les atteindre de manière optimale. Puis l'article démontre que les SSR de Littelfuse présentent une endurance supérieure lors des tests.

Types de commutation des SSR pour différentes applications de charge

Les systèmes de chauffage peuvent parfois créer des interférences électromagnétiques inattendues, entraînant l'échec des tests de conformité. Les applications de commande moteur présentent parfois des temps de réponse lents. Ces deux problèmes ont généralement la même cause simple : les ingénieurs ont choisi le mauvais type de commutation SSR pour leur application.

Les différents types de charges électriques nécessitent des approches de commutation différentes. Les charges résistives, telles que les éléments chauffants, fonctionnent mieux lorsque le courant électrique commence à circuler progressivement à partir de zéro. Cette approche évite les surtensions transitoires et le bruit électromagnétique.

Les charges inductives comme les moteurs sont différentes. Les moteurs requièrent une réponse de commutation rapide, quelle que soit la position de la forme d'onde CA. Cela est dû à la relation de phase inhérente entre le courant et la tension dans les moteurs, une caractéristique des circuits inductifs.

Les caractéristiques électriques de ces différentes charges créent des exigences de commutation complètement différentes. L'utilisation d'un type de commutation incorrect peut être à l'origine des problèmes rencontrés par les ingénieurs dans leurs systèmes. La Figure 1 illustre le phénomène de mise sous tension au passage par zéro et de mise sous tension aléatoire, convenant respectivement aux charges résistives et inductives.

Figure 1 : Formes d'ondes de tension illustrant le temps de conduction (zones vertes) pour différents modes de commutation. La commutation au passage par zéro minimise les transitoires, tandis que la commutation instantanée offre une réponse immédiate pour les applications critiques en termes de temps. (Source de l'image : Littelfuse)

Cette inadéquation crée de multiples problèmes. Les surtensions transitoires endommagent les composants électroniques sensibles, et les interférences électromagnétiques nécessitent des modifications coûteuses en raison des problèmes de conformité. La durée de vie de l'équipement est considérablement réduite, ce qui rend les performances du système imprévisibles.

La plupart des fabricants de relais statiques ne proposent aucune solution à ce problème. Ils offrent des options de commutation génériques avec très peu de conseils d'application. Les ingénieurs doivent donc se débrouiller seuls pour résoudre les problèmes complexes de compatibilité des charges. Ils finissent par utiliser des approches d'essais et d'erreurs pour identifier la solution la mieux adaptée, ce qui retarde les projets et augmente les coûts.

Littelfuse fournit des technologies de commutation adaptées aux applications et conçues spécifiquement pour les caractéristiques de charge, utilisant la technologie de liaison directe et les semi-conducteurs IXYS. Les modèles à commutation au passage par zéro, tels que les dispositifs SRP1-CBAZH-050NW-N et SRP1-CRAZH-050TC-N, éliminent les transitoires électriques en commutant avec précision aux passages par zéro de la tension CA. Ces modèles sont parfaitement adaptés au contrôle des systèmes de chauffage jusqu'à 24 kW à 600 VCA avec des interférences électromagnétiques minimales.

Figure 2 : De gauche à droite, SSR SRP1-CR, SRP1-CB et SRP1-CB…F de Littelfuse. (Source de l'image : Littelfuse)

Pour les applications inductives et de moteurs exigeant une réponse immédiate, les modèles à commutation instantanée, tels que les dispositifs SRP1-CBARH-050NW-N et SRP1-CRARH-050TC-N, s'activent immédiatement à la réception du signal de commande. Ils gèrent les caractéristiques de démarrage moteur difficiles pour l'automatisation industrielle haute puissance. Cette approche d'ingénierie spécifique à l'application garantit des performances fiables dès l'installation initiale. La Figure 2 montre les différentes variantes des SSR de Littelfuse.

Recommandations en matière de courant nominal et marges de sécurité

Pourquoi les ingénieurs sous-dimensionnent-ils systématiquement les relais statiques alors qu'ils suivent les consignes des fiches techniques des fabricants ? Il existe un décalage entre les spécifications de laboratoire et les conditions d'utilisation réelles.

Le courant nominal semble simple au début. Mais les ingénieurs découvrent ensuite des problèmes. Les éléments chauffants consomment 1,4 fois leur courant nominal lors des démarrages à froid et les températures ambiantes peuvent dépasser la base nominale de +40°C. Ce scénario requiert un détarage substantiel. De plus, un dimensionnement inadéquat des fils réduit encore davantage la tenue en courant. Ces facteurs créent un environnement de spécification complexe. Les composants sous-dimensionnés sont sujets à des défaillances prématurées. Les unités surdimensionnées entraînent un gaspillage d'argent et d'espace sur le panneau.

La plupart des fournisseurs de relais statiques aggravent ces problèmes en fournissant des valeurs de courant nominal de base avec un contexte d'application minimal. Les ingénieurs consultent les chiffres des fiches techniques sans connaître les hypothèses de fonctionnement, les marges de sécurité ou les facteurs de détarage réels. Ce défi impose le recours à des méthodes d'essais et d'erreurs coûteuses, qui retardent les projets et entraînent souvent la défaillance de composants que des conseils appropriés dès le départ auraient permis d'éviter.

Figure 3 : Instructions de conception SSR de Littelfuse montrant un facteur de détarage de 20 % pour les applications de chauffage. Les valeurs de puissance représentent la puissance de chauffage maximum sûre pour chaque valeur nominale SSR à des tensions CA standard. (Source de l'image : Littelfuse)

Littelfuse fournit des indications détaillées sur le courant nominal (Figure 3) grâce à des spécifications claires, éliminant les conjectures.

• Les modèles de 10 A, comme le SRP1-CRAZL-010TC-N, supportent en toute sécurité des courants de chauffage de 8 A, permettant des applications de 960 W à 4,8 kW tout en offrant une protection intégrée de suppression des tensions transitoires (TVS) pour les environnements électriques.
• Les versions 25 A, telles que le SRP1-CBAZL-025NW-N, gèrent des charges de 20 A, supportant des systèmes de 2,4 kW à 12,0 kW avec commutation au passage par zéro pour les applications de chauffage.
• Les unités de 50 A contrôlent les applications de 40 A, alimentant les équipements de 4,8 kW à 24,0 kW.

Chaque spécification inclut des facteurs d'utilisation prudents de 75-80 % et des données détaillées de détarage de température, qui démontrent qu'une gestion intelligente des contraintes thermiques et électriques permet d'étendre la durée de vie.

Protection contre les pics de tension et les transitoires électriques

Les transitoires électriques sont fréquents dans les environnements industriels, notamment les surtensions dues à la foudre sur les lignes électriques et la génération de force contre-électromotrice pendant les opérations de commutation des moteurs. Les perturbations du réseau électrique créent également des pics de tension dépassant 1200 V. Même si chaque événement ne dure que quelques microsecondes, il peut endommager les SSR et les autres équipements connectés aux SSR. Au fil du temps, les dommages cumulés causés par de nombreux petits événements transitoires peuvent entraîner la panne de certaines pièces, et, à terme, l'arrêt de la production.

L'approche conventionnelle requiert des dispositifs de protection contre les surtensions externes, impliquant un besoin d'espace supplémentaire sur le panneau, un câblage complexe et une coordination minutieuse entre plusieurs niveaux de protection. De nombreux fournisseurs de relais statiques proposent des unités de base sans protection intégrée, ce qui oblige les ingénieurs à concevoir des systèmes de suppression des surtensions séparés. Mais les protecteurs externes introduisent des points de défaillance via des connexions supplémentaires et peuvent ne pas réagir assez rapidement en raison de l'inductance parasite et des délais de réponse.

Figure 4 : Blocs fonctionnels internes montrant l'isolement optique, le contrôle de temporisation de déclenchement (passage par zéro ou instantané) et la configuration de sortie thyristor antiparallèle pour la commutation CA bidirectionnelle. (Source de l'image : Littelfuse)

Littelfuse fournit une protection intégrée grâce à la série SRP1-CR, qui utilise des diodes TVS série SMBJ directement dans le boîtier du SSR. La Figure 4 illustre les blocs fonctionnels internes montrant l'isolement optique et le contrôle de temporisation de déclenchement qui permettent cette approche de protection intégrée. Cette protection au niveau des composants réagit en quelques nanosecondes, bloquant les pics de tension entre 900 et 1200 V_PK avant que des dommages ne surviennent.

Des modèles comme le SRP1-CRAZH-050TC-N pour les systèmes de chauffage et le SRP1-CRARH-050TC-N pour la commande de moteurs offrent une protection intégrée contre les surtensions, optimisée pour leurs applications spécifiques. Ils conviennent parfaitement aux environnements électriques difficiles avec des variateurs de fréquence où les transitoires de force contre-électromotrice sont des menaces courantes.

La conception intégrée élimine le recours à des composants externes tout en offrant une protection positionnée exactement là où elle est nécessaire dans le circuit. Cette approche démontre une fiabilité accrue par rapport aux alternatives non protégées, en fournissant une protection complète contre les transitoires électriques.

Solutions de dissipation de chaleur et de contrôle de température

La plupart des ingénieurs se concentrent sur les spécifications électriques, mais la conception thermique détermine la durée de vie réelle des relais statiques. La génération de chaleur pendant le fonctionnement semble gérable jusqu'à ce que les températures de jonction dépassent les limites de sécurité. La dégradation des semi-conducteurs commence silencieusement, ce qui se traduit par des performances irrégulières.

Le défi commence à petite échelle, lorsque la plupart des applications fonctionnent au-dessus de la base nominale de +40°C standard, nécessitant un détarage en courant que les spécifications mentionnent mais ne mettent pas en évidence. À cela s'ajoutent des irrégularités d'interface thermique dues à une mauvaise application de la pâte, un dimensionnement inadéquat du dissipateur thermique et un flux d'air ambiant médiocre. Ce qui semblait être une simple tâche de gestion thermique se transforme en un défi d'ingénierie complexe avec des implications significatives en termes de coûts.

Littelfuse fournit une gestion thermique intégrée via la série SRP1, incorporant chaque aspect du contrôle thermique dans une solution complète. Les pastilles thermiques pré-attachées éliminent les variables d'installation tout en garantissant un transfert de chaleur constant sans composés salissants. La technologie de liaison directe et la technologie de semi-conducteurs IXYS offrent des caractéristiques de dissipation thermique améliorées par rapport aux composants standard. Les courbes de détarage thermique détaillées permettent de sélectionner avec précision le dissipateur thermique pour toutes les conditions de fonctionnement.

Figure 5 : Limitations du courant de charge en fonction de la température ambiante et de la résistance thermique du dissipateur thermique (°C/W). Indispensables pour prévenir les défaillances thermiques dans les applications industrielles à haute température. (Source de l'image : Littelfuse)

La Figure 5 illustre la courbe du courant de charge en fonction de la température ambiante pour différents scénarios thermiques. Les modèles de 50 A, comme le SRP1-CBAZH-050NW-N et le SRP1-CRAZH-050TC-N, maintiennent une tenue en courant complète jusqu'à +50°C avec une dissipation thermique appropriée de 0,7°C/W. Ils délivrent toujours une capacité de 35 A à 1,5°C/W de dissipation thermique à une température ambiante de +40°C. Ils sont donc bien adaptés à des applications telles que le contrôle des dispositifs de chauffage dans les environnements industriels à haute température.

Résultats des tests et données de validation des performances

Des tests comparatifs indépendants valident les performances annoncées par Littelfuse. Soumise à des tests d'endurance de 750 000 cycles identiques à 2 fois le courant nominal, la série SRP1 de Littelfuse a nettement surpassé trois concurrents majeurs (Figure 6). Alors que les unités de Littelfuse ont terminé le cycle de test complet, les concurrents ont échoué à 200 000, 130 000 et 60 000 cycles, respectivement. Le concurrent 3 a connu des explosions catastrophiques de semi-conducteurs, posant des risques de sécurité.

Figure 6 : Comparaison visuelle des dommages internes des SSR après les tests d'endurance, avec le couvercle supérieur retiré et les modes de défaillance détaillés. (Source de l'image : Littelfuse)

L'analyse après défaillance a révélé des dommages dus à la fatigue thermique dans les unités concurrentes, démontrant l'efficacité de la gestion thermique, de la technologie de liaison directe et de la technologie de semi-conducteurs IXYS de Littelfuse. Cette validation en conditions réelles prouve que l'approche intégrée à quatre piliers de Littelfuse offre une amélioration mesurable de la fiabilité. Ce résultat montre que la série SRP1 constitue un choix évident pour les applications industrielles critiques tout en répondant aux normes de conformité cЯUus, CE et RoHS.

Conclusion

Les relais statiques série SRP1 de Littelfuse répondent aux quatre défis techniques responsables des défaillances des SSR industriels. Des types de commutation adaptés à l'application éliminent les interférences électromagnétiques et des marges de sécurité prudentes empêchent les défaillances liées au sous-dimensionnement. La protection intégrée contre les surtensions gère les transitoires électriques, tandis que la gestion thermique avancée étend la durée de vie. Les tests en conditions réelles ont permis de valider des performances supérieures, atteignant 750 000 cycles contre 200 000 cycles ou moins pour les concurrents. Cette approche technique garantit un fonctionnement fiable, dès l'installation et pendant des années de service industriel exigeant.