Durée de vie relais statiques: technologie TMS²

S/GEN/DUREEVIE/A/14/04/2000
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RELAIS STATIQUES DE PUISSANCE
A DUREE DE VIE ETENDUE
Depuis plus de 20 ans , celduc® a constamment amélioré la Qualité de ses relais
statiques. Nous avons été les premiers à commercialiser :
--> des relais à faible niveau de synchronisme.
--> des relais à faible courant de fuite.
--> des relais protégés contre le toucher : IP20.
--> des relais à haute immunité (4KVolts critère A / IEC1000-4-4 & IEC1000-4-5 ).
--> des relais avec les meilleures caractéristiques de surcharge ( I2t jusqu'à
20000A2s pour des produits 125A) protégeables par disjoncteur.
La fiabilité de nos relais est reconnue dans le monde entier.
L'innovation est notre force.
Aujourd'hui avec l'introduction des dernières technologies dans la construction de nos
relais statiques de puissance, nous annonçons :
Une durée de vie en fatigue thermique multipliée par 2
Les relais statiques de puissance
.
celduc® :
Les détails qui comptent :
-->
Puces
thyristors :
* Une tenue en tension jusqu'à 1600Volts
= une grande stabilité au blocage à long terme.
* Des tailles de puces suffisantes .
= des caractéristiques de surcharge (I2t) supérieures.
-->
Nouveaux matériaux et nouveau process:
* Nouveau substrat céramique en technologie DCB.
* Connexions cathode des thyristors par fils de "bonding".
* Les composants de commande en technologie CMS
(fiabilité du process avec plus de 10 ans de maîtrise).
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All technical characteristics are subject to change without previous notice.
Caractéristiques sujettes à modifications sans préavis.
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Ce qui fait la différence :
La technologie de montage
1 --> La technologie dite "standard " employée par la majorité des fabricants de relais statiques ,
utilise un substrat céramique classique et des connexions de cathode dite par "pontets" :
voir technologie de montage ci-dessous ( fig 1).
brasures
connexion en cuivre ou en alliage ( /coef dilatation)
fig 1
"amortisseur ": molybdène ( éventuel)
Chip thyristor ( silicium)
"amortisseur ": molybdène ( éventuel)
connexion en cuivre ou en alliage ( /coef dilatation)
substrat céramique : Alumine 96% épaisseur
0,63 mm métallisée sur les 2 faces
semelle du relais
Cette technologie a l'inconvénient de cumuler le nombre de couches avec l' augmentation de la
résistance thermique jonction/case (Rthj/c) , d'être limitée en fatigue thermique ( nombre de cycles en
fonction de la variation de température) et d'être difficilement automatisable ( fiabilité du process) .
2 --> Technologie DCB ( Direct Copper Bonding ) :
L'innovation est dans le substrat . Par un procédé de diffusion à haute température ( environ 1000°C) ,
du cuivre d'épaisseur importante ( typiquement 0,4 mm ) est directement incrusté sur le substrat
alumine. Les pontets sont remplacés par une multitude de fils de " bonding" avec plusieurs points
d'ancrage afin de supporter des courants de surcharge importants. Cette technologie apporte :
* Une résistance thermique bien meilleure .
* Une fatigue "thermique" divisée par 2 ou 3.
* Une simplification du montage , avec automatisation , ce qui permet une maîtrise complète du
process de fabrication.
Chip thyristor ( silicium)
connexions en cuivre
fig 2
aluminium wire bonding
brasures
substrat DCB
semelle du relais
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Rue Ampère B.P. 4
42290 SORBIERS - FRANCE
E-Mail : [email protected]
Fax +33 (0) 4 77 53 85 51
Service Commercial France Tél. : +33 (0) 4 77 53 90 20
Sales Dept.For Europe Tel. : +33 (0) 4 77 53 90 21 Sales Dept. Asia : Tél. +33 (0) 4 77 53 90 19
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Qu'est-ce que la " fatigue thermique" ?
Un relais statique est un macrocomposant , utilisant des thyristors de puissance , des optocoupleurs et d'
autres composants standards de l' électronique.
Si les caractéristiques de courant et de tension sont respectées , la durée de vie sera très supérieure à celle
d'un relais électromécanique ( pas d'usure des contacts --> "presque illimitée" ! ).
Ces dernières décennies, l'électronique a fait de gros progrès dans la fiabilité et des composants comme les
optocoupleurs ont maintenant des durées de vie très importantes.
(celduc® n'utilise que des optocoupleurs de Qualité avec MTBF > 2 x 106 heures ).
--> La durée de vie aujourd'hui de l'électronique de puissance dépend essentiellement de la
fatigue thermique , due aux variations de température dans l'utilisation .
En effet , à chaque commutation , les "chips" thyristors subissent une variation de température due à
l'échauffement local sur le chip en relation avec différents paramètres:
a) Cette variation de température est liée tout d'abord au courant commuté lié à la charge .
Exemples ci-dessous :
--> fig 1 : variation de température sur une charge résistive avec des amplitudes importantes dans
la phase de préchauffe (∆T1) , puis faibles dans la phase de régulation (∆T2).
--> fig 2 : variation de température sur un moteur avec des variations importantes (∆T2) à chaque
démarrage dues aux courants de démarrage qui peuvent atteindre 8 x In pendant 1,6s.
Fig 2 : variation de
température sur un
moteur
Fig 1 : variation température
sur charge résistive
∆T 2
∆T 1
Junction
temperature
∆T 2
heatsink
∆T 1
b) L'amplitude de cette variation est aussi due à la Qualité de la résistance thermique entre la jonction et
le dissipateur (ou "case") : Rthj/c (ou Zthj/c : Impédance thermique / températures non stabilisées).
La technologie DCB apporte une réduction très significative de cette Rthj/c .
La différence de température entre la jonction et le dissipateur ("case") est directement liée à
l' impédance thermique et à la puissance dissipée : ∆Tj/c= Zthj/c x Pd.
(Le dissipateur restant à une température assez constante en fonctionnement normal).
c) La taille de puce ( "chip" silicium) utilisée déterminant la surface du silicium est primordiale .
--> Plus la taille de la puce sera grosse , plus la puissance dissipée sera faible avec :
Pd = 0,9Vt x I + rt x I2t : la résistance dynamique "rt" diminue avec une puce plus grosse.
--> La résistance thermique jonction/case ( Rthj/c) est aussi inversement proportionnelle à la surface
de silicium. (∆Tj/c= Rthj/c x Pd) .
C'est la raison pour laquelle celduc® utilise des "chips" de taille suffisante .
Exemple pour un relais 50A : taille chip d'un thyristor : 7,2 x 7,2 mm alors que la concurrence utilise
des chips de 6,3x6,3 ou 5,8 x5,8mm , moins onéreux , mais aussi moins performants.
d) La taille du dissipateur est aussi importante. celduc® respecte les normes européennes avec un ∆T
maxi du dissipateur à 50°C pour une température ambiante de 40°C.
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Conséquence
Ces variations de température entraînent des contraintes de dilatation thermique , qui sont d'autant plus
sévères si les matériaux utilisés sont différents . D'où la nécessité d'employer des amortisseurs de type
"molybdène " entre le silicium et les connections qui peuvent être soit en cuivre , soit en alliages
spéciaux ( bi -métal) et des brasures bien adaptées .
--> La technologie employée dans les relais celduc® utilisait déjà les meilleurs matériaux de
connexion avec des caractéristiques de dilatation harmonisées. Le nombre de cycles en fatigue
thermique déjà très supérieurs à la majorité des produits sur le marché sont encore multipliés
par 2 avec la nouvelle technologie "DCB + bonding" utilisée dans la dernière génération de
relais celduc®. Cette technologie associée à des composants bien dimensionnés donne des
résultats incomparables.
Les résultats :
La vérification de la durée de vie d'un composant de puissance n'est pas chose facile, principalement
pour des variations de température faible , car la durée des essais est très longue.
Avec plus de 20 ans d'expérience dans le domaine et avec l'appui des principaux fabricants de Silicium,
celduc® donne à ses clients des éléments concernant le nombre de cycles en fonction de la
température grâce à la mise au point des tests pour accélérer le vieillissement.
Description de ce test :
La majorité de nos tests sont effectués pour ∆T = 80°C avec un suivi permanent sur notre production.
Le relais est monté sur un radiateur thermique de Rth très faible : <0,2K/W ==> la température du
dissipateur thermique est pratiquement constante.
Des impulsions de courant sont envoyées dans le relais afin que : Zthj/c x Pd = ∆Tj/c souhaité .
Exemple pour un relais 50A : test effectué avec 100A/1s "ON" puis 7s "OFF".
Les résultats sont donnés sur la courbe ci-dessous :
nombre de cycles
1000000000
100000000
Points régulièrement
testés en production :
-->∆T = 80°C
-->∆T = 50°C
3
10000000
2
1000000
1
Les valeurs pour
∆T < 50°C
sont extrapolées.
100000
10000
1000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Variation de température (°C)
courbe N°1 : technologie rencontrée dans la plupart des relais statiques du marché.
courbe N°2 : technologie celduc® depuis 1995
courbe N°3 : technologie celduc® en 2000 avec "DCB + bonding".
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Applications
a) Application chauffage : I AC-51 = 32A sous 400 VAC
--> celduc® propose un relais 50A référence SC965xxx monté sur un dissipateur thermique de 1,5K/W
afin de respecter les normes IEC947-4-3 qui donnent une élévation de température des
composants que l'on peut toucher de 50°C maximum à une température ambiante de 40°C.
--> La concurrence propose un relais 50A monté sur un dissipateur de 1,9K/W ( moins encombrant)
afin de limiter la température de jonction à son maximum , c'est à dire 125°C, sans se soucier de la
température du dissipateur.
CARACTERISTIQUES
Taille de puce utilisée
Techno
Vto (typ mesuré)
rt (typ mesuré)
Pd @ 32A = 0,9VtxI +rt x I2
relais celduc 50A relais concurrent 50A
7,2 x7,2 mm
6,3x6,3 mm
"DCB + Bonding"
"standard"
0,9V
0,9V
7mΩ
8 mΩ
Rthj/c (typ)
Rthd (Rthdissipateur)
∆T1(*)=(Rthj/c+ Rthd) xPd + 20°C
∆T2 = Rthj/c x Pd
33W
0,3
1,5
34W
0,4
1,9
80°C
10°C
98°C
13,5°C
∆T 2
∆T 1
* calcul effectué à T ambiante initiale = 20°C , puis élévation
de la température ambiante jusqu'à 40°C
En se reportant aux courbes de fatigue thermique ( page 4/5), le produit celduc® dernière génération
pourra supporter une quantité très importante de cycles thermiques en mode régulation
( ∆T2 =10°C) et plus de 100 000 cycles de préchauffe avec ∆T1 = 80°C .
Pour le produit concurrent avec ∆T2 = 13,5°C et surtout ∆T1 = 98°C , les nombres de cycles seront
beaucoup plus limités : moins de 2000 cycles de préchauffe .
--> D'où l'intérêt d'utiliser un refroidissement adapté et une technologie de pointe.
a) Application moteur : I AC-53 = 8,5A sous 400 VAC triphasé .
--> En respectant les normes IEC947-4-2 qui donnent un courant de démarrage de 8 xIn pendant 1,6
secondes . --> Pour un courant IAC-53 de 8,5A celduc® proposera un relais de calibre 50A.
CARACTERISTIQUES
Taille de puce utilisée
Techno
Vto (typ mesuré)
rt (typ mesuré)
Pd @ 8x8,5A = 0,9VtxI +rt x I2
au démarrage par voie
relais celduc 50A relais concurrent 50A
7,2 x7,2 mm
6,3x6,3 mm
"DCB + Bonding"
"standard"
0,9V
0,9V
7mΩ
8 mΩ
87W
92W
Junction
temperature
Pd @ 8,5A = 0,9VtxI +rt x I2 en
fonctionnement par voie
7W
7,5W
Rthj/c (typ) (= Zthj/c pour t=1,6s)
0,3
0,4
∆T1(*)= [email protected]( Rthd+Rthj/c)
∆T2 = Rthj/c x Pd @ 8x8,5A
faible
26°C
faible
37°C
∆T 2
heatsink
∆T 1
En se reportant aux courbes de fatigue thermique, le produit celduc® dernière génération pourra
supporter une quantité très importante de démarrage: ∆T2 =26°C --> plus de 40x106 commutations.
Pour le produit concurrent avec ∆T2 = 37°C le nombre de démarrage sera beaucoup plus limité :
moins de 1x106 commutations ==> non adapté à des applications moteur forte cadence.
D'où l'intérêt d'utiliser un calibre semiconducteur bien dimensionné et une technologie de pointe.
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