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超接面MOSFET技術助攻 固態繼電器/斷路器大有可為

文‧Giovanbattista Mattiussi 發布日期:2020/08/31 關鍵字:MOSFET超接面MOSFET 電式繼電器電路斷路器半導體基板 TriacSCR IGBTACDCCoolMOS

機電式繼電器與電路斷路器相關技術經過完備的建立,發展已臻成熟,但仍受限於本質上的缺陷。改用固態技術雖然可解決這些問題,卻也同時面臨其他挑戰。在電影中,電燈熄滅或斷電通常會伴隨戲劇性的金屬結構倒塌的巨大聲響,幫助觀眾掌握劇情。一般而言,這種呈現方式十分準確,因為高電壓繼電器及電路斷路器本身大多仍為機電式。除了機電解決方案相關的固有作法外,工程界目前普遍認為半導體技術不適合運用在高電壓切換應用。然而,由於新技術的發展,高電壓切換應用的實際情況正在改變,圖1即為經過3次10 kA電流中斷後的接點情形,筆者將在文中進一步說明。

作為討論基礎,建議先理解機電式繼電器或電路斷路器,並瞭解固態繼電器/電路斷路器的發展情形。機電解決方案產生的噪音是伴隨繼電器運用電磁效應與高速移動的金屬接點相吸/互斥的物理特性而來。其中的機械運動量可視為故障原因,實際運作上也確實是如此,但主要的疲乏部位很可能位於接點表面,因為接點傳導高電壓時逐漸彼此接近,讓產生的電弧能夠跳躍氣隙,之後接點才完全接觸。若接點被迫斷開,也會出現相同現象。在此應特別注意,致動時接點不論AC或DC都會出現電壓。以AC電壓而言,若未採用零電壓切換,則每次繼電器啟動時,很可能都會出現電弧。如此一來,接點會快速退化,甚至彼此熔合。即使在一般的使用情況下,接點間的電阻很可能會隨時間與使用量而上升,產生無法預測的行為。最後,因使用與磨耗持續造成的疲乏很可能會導致故障,限制了製造商的裝置使用壽命。

以此類推,機電式繼電器也可能像低電壓切換器一樣,面臨接點彈跳的問題,但切換高電壓時,更不容易實作反彈跳。另一方面,固態切換器通常會實作零電壓切換,確保裝置在電壓,或很可能與電壓異相的電流最低時才開始傳導,即使採用DC電壓與電流,固態切換器的導通時間也較容易控制。採用目的是避免可能造成其他系統問題的湧浪電流,但最直接的影響是繼電器或電路斷路器在整個使用過程中變得更加可靠,當然使用壽命也會比機電式更長久。

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