欧姆龙技术诀窍的融合打造 高容量却低发热的产品 实现了低接触电阻的 高容量PCB功率继电器

伴随地球变暖等环境问题的危机意识日益高涨,太阳能发电等可再生能源的利用不断加速。在以太阳能发电系统构成设备之一的功率调节器等为主、需要高电流/高电压的设备上,接通/切断电流或应急时的安全切断即会用到继电器。
将太阳能发电所生直流电力转换为家用或大厦、工厂等可用交流电力的功率调节器(光伏逆变器)上也会用到继电器。

在需要高效利用能源的环境下,发电设备的高容量化也在不断升级,组装于该些设备的继电器也要求具备更高容量的产品。

功率调节器(光伏逆变器)
设置于太阳能发电板上、将太阳能发电所生直流电力转换为家用或可在大厦、工厂等所用交流电力的装置

高容量继电器和发热课题

近年来,太阳能发电系统上的需求不断发生变化。作为地震或水灾等灾害风险对策,更加稳定的电力供给需求愈发高涨,并出现了从集中型系统向分散型系统转化的趋势。并非通过1台光伏逆变器执行电力转换,而是分散至多台光伏逆变器,由此降低了发生灾害时因设备故障等所致发电停止的风险。此外,各设备或机器上通过高容量、大电流化的配置提高了发电效率,并通过小型化、轻量化削减了设备投资,因而要求有效利用设备的呼声愈发高涨。
而另一方面,伴随小型化、高容量化的发展,当务之急是减少设备本身产生的热量,这是造成能量损失和降低设备使用寿命的一个因素。

1.削减故障、灾害时的风险、2.分散化、3.通过小型、高容量化降低成本&提高效率、4.小型化大融量化

小型化、高容量化发展的屏障是设备内部的发热。
高容量化使电流增长2倍后,发热量将增加4倍。
设备发热将会导致动作异常或电路板寿命短缩。因此,流动200A级大电流的继电器上需配置风机或散热板等散热机构,由此导致装置自身出现了大型化倾向。

[发热量=电流²×电阻]100A继电器->(达4倍发热量)200A继电器
高容量PCB功率继电器 G9KA 47.2mm✕51mm✕51mm

为了解决这个发热课题而开发的产品便是G9KA型高容量功率继电器。G9KA在行业内实现低接触电阻0.2mΩ,有效抑制了作为小型化、高容量化重大课题的发热。

此外,与同等电流容量的接触器相比,高度采用只有其1/3左右的紧凑型尺寸,有助于实现设备的小型化、省空间化。

适用接触器:H 约140mm / 适用PCB继电器(G9KA):H 约47mm[高度约1/3]

通过低接触电阻实现不易发热的效果

接触电阻越低越不会产生热量。传统普通高容量继电器的接触电阻初始额定值为1~5mΩ(实测值为0.4mΩ左右),而G9KA通过对中心值及偏差值的控制,可将额定值抑制在低达1/5的0.2mΩ。
结果表明,与普通同等性能的继电器相比,可抑制约30%的上升温度。此外,开/关耐久性评估结果也表明,可维持稳定的接触电阻(参考值),与同等性能的传统继电器相比,也有助于通过较低的接触电阻解决发热课题。

初始接触电阻值为
行业较低的0.2mΩ

<模拟条件>
480VAC/200A、环境温度85℃、使用风机/导管/散热板、在电路板上设置1台。

电气耐久性试验后
也可维持0.3mΩ以下接触电阻值

<评估条件>
开/关条件(阻性负载):AC800V、连接50A、通电200A、切断50A
线圈电压条件:以连接时:12V(100%) 施加后:维持6V(保持电压50%)
环境温度:85℃
接触电阻测量条件:200A 通电30分钟后

通过“不易发热”创造各种价值

正因为“不易发热”,所以G9KA可以解决用户的各种烦恼。

正因为低发热,所以无需担忧发热问题,可通过51x51x47.2mm的尺寸设计实现800V/200A的高容量目标。
正因为低发热,所以可削减热应力导致的电路板损伤或能源损耗。
正因为低发热,所以可削减采用风机或散热板等散热设计,有效削减设计工时、实现设备的小型化、降低成本。

[因为低发热···]长寿命:可减轻发热所致电路板损伤,延长机械使用寿命、降低成本:可削减散热机构、替换接触器,由此实现商品的小型化并降低成本、提高设计效率:可削减风机或散热板等散热机构,通过更加简约的款式设计,削减散热设计所需的时间和工时、支持高容量应用:远超欧姆龙高容量商品配置的800V/200A通电、切断性能、节能化:抑制发热所生能源的浪费,提高发电效率(热度升高导致元件损坏>必须限制功率调节器的输出>发电效率低:转换为热能源能源不断泄漏)、小型化:削减散热结构,由此可缩小电路板面积

实现“高容量却不易发热”效果的欧姆龙先进技术

欧姆龙结合长期以来所积累的技术诀窍,
实现了“高容量 800V/200A”和“不易发热”这2种对立的性能。

技术摘选①:通过接点材料+接点开/关结构的优化抑制发热

[接触电阻低]纯Ag < Ag+添加剂、[熔敷性高]纯Ag > Ag+添加剂

为了实现低接触电阻这个目标,G9KA上采用了Ag含量达99%以上的纯Ag系接点。
接触电阻一般均为纯Ag系接点<含添加剂Ag接点,其耐熔敷性呈现相反倾向。用于传统负载开关的继电器上为防止接点因为电弧熔敷,所以选用含添加剂的接点材质来防止接点的熔敷,但因此会使接触电阻增至数十mΩ。

为了防止接点熔敷,G9KA上采用了柱塞型继电器结构。
限位器像锤子般向下摆动所生冲击力可切实分散熔敷,所以即使是易于熔敷的接点材料,也可切实实现接点剥离。

技术摘选②:通过接点的并联抑制发热

G9KA上采用了双接点结构。可通过通电电路的并联使电流分流,并削减每条路径的平均通电电流,由此抑制发热。

【单接点】

【发热】
Qsgl = CR1*(200A)2*t
= CR1*4*104 *t

【双接点】

【发热】 = 发热量1/2
Qtwn = CR1*(100A)2 *t *2接点
= CR1*2*104*t

技术摘选③:无需增大线圈即可以紧凑型尺寸实现大电流的的切断性能

G9KA的开/关结构采用了双断路结构。
接点的切断性能取决于接点间隔。高容量光伏逆变器上的接点间隔规定需达到3.6mm以上。接点之间的间距越大,驱动继电器的线圈也越大。双断路结构的接触点共有2处,实际上可确保2倍的接点间隙。无需增大线圈即可以紧凑型尺寸实现800V 200A的通电、切断性能。

【单断路结构】

【双断路结构】

可确保共4mm的接点间隔

G9KA支持高容量的应用需求

欧姆龙为“高容量但产生的热量尽可能少”的设备设计的G9KA怎么样?

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