如何延长继电器开关寿命和可靠性

作者：MIKE BALDWIN

随着高性能机电继电器在军事和航空航天应用中继续发挥重要作用，工程师必须满足所有电气要求。一个关键领域是通过符合制造商的继电器产品性能规格来延长继电器开关在容性瞬态高浪涌电流条件下的使用寿命。电容器会产生高电流浪涌，会对此类应用中的电路性能产生不利影响。这些瞬变虽然性质非常短暂，但可以大大超过高性能机电继电器中触点的稳态额定值。

当客户正确识别容性负载并将其包含在继电器功能范围内时，可以实现更高程度的应用继电器兼容性。使用电涌抑制元件调整继电器电路设计可能意味着大幅减少容性瞬态高电流负载，并可以延长继电器触点寿命，并确保在其额定产品性能规格范围内使用的继电器将满足最终应用的负载开关要求。

电容式浪涌触点损坏

偶尔在军事和航空航天继电器开关应用中，可能会出现令人惊讶的电容浪涌源。一个例子是继电器中使用的材料的快速加热和冷却，可能是由于持续时间非常短的非常高的电流脉冲，这超出了产品的性能规格。这种超额会导致触点的材料熔断和分离，从而导致不稳定的操作。

电容从何而来？

虽然非常大的电解电容器使工程师预计会出现高电流浪涌，但电路中通常还有其他不太容易识别的电容源。电容器是无源器件，可抵抗瞬时电压变化，同时允许瞬时电流变化，在电流浪涌时快速吸收和释放大量能量。

一个鲜为人知的高电容和浪涌电流来源是军事和航空航天应用中DC/DC开关电源转换器中常见的EMI ［电磁干扰］滤波。（图 1。转换器的快速开关会产生大的不连续电流变化，需要大量滤波以降低传导高频EMI噪声。流行的解决方案是在 DC/DC 转换器的输入和输出上使用低通滤波器。

图1：典型 DC/DC 转换器的框图。

NTC限流器器件

有一类电阻器件可以提供大量的电流浪涌限制。专用电阻器称为NTC或负温度系数热敏电阻。它提供高初始电阻，随着电流而器件温度升高，初始电阻会迅速下降到低得多的值。

在室温下，高初始标称电阻通过快速吸收能量并在热时间常数内耗散能量来限制浪涌电流峰值。限流器NTC的电阻比其初始值下降30至50倍。移除电源后，根据下图中的热时间常数曲线，以下实验中使用的NTC器件在大约五分钟内恢复到室温（图2）。

图2：NTC热时间常数。

NTC测试：重复循环效果

NTC器件在相对较短的热时间常数内自热，同时大大降低其内阻。NTC的快速脉冲表明对自热温度的响应是多么敏感和快速。当在不到三秒的时间内用四个脉冲事件测试5欧姆NTC时，初始峰值电流水平从5.4 A增加到8.5 A，增加了57%。NTC器件的热时间常数通常仅在初始浪涌电流脉冲电平期间使用，然后允许冷却，这实际上为下一个大电流开关事件“重置”NTC。

负载测试 NTC 限流器

决定设置测试来表示输入和输出EMI滤波器以及输入和输出DC/DC转换器电容器和电感器。开发板测得的总容性负载为717.6 uF，因为实际上所有滤波电容都是并联的。测试开发板的过程涉及通过选定的开关提供直流线圈驱动电压，以在负载开关条件下禁用/启用NTC器件的每个值。

NTC 负载测试寿命配置

为了测试NTC器件，确定开发板的输出端需要阻性负载。阻性负载的目的是模拟为应用供电的 300 W DC/DC 转换器。实验工作确定，NTC温升和随后的内阻变化可以通过在继电器寿命测试期间控制开关电流脉冲的循环速率和占空比来管理。

图3：框图：测试开发板。

NTC 开关子组件具有延时子组件和分流继电器，在每个脉冲线圈事件开始后约 20 毫秒内运行，从而有效地打开通过负载的电流路径。这导致继电器组合承载步进电流，但不断开电流路径。

继电器寿命测试程序涉及提供 26.5 Vdc 线圈驱动电压，分别切换到六个继电器。26.5 Vdc 负载电源电压进入负载使能 FCA-325 3PDT 25 A 继电器。然后通过 NTC 关闭/打开 FCA-125 SPDT 25 A 继电器进行路由，以单独插入 NTC 设备或在电路中没有 NTC 的情况下进行测试。由 26.5 Vdc 电源供电的 3.0 欧姆无感负载电阻的连接可提供 9 A 的标称负载（约 239 瓦）用于开关。

NTC 负载测试寿命结果

无NTC：第一次继电器寿命测试是在电路中没有NTC器件的情况下进行的。继电器以 20 个周期/分钟的速率循环，并在开关事件开始时显示出尖锐的高电流瞬变。脉冲达到26.8 A的峰值，持续时间为680微秒，是20.2 ms仅制造/携带电流时间的一部分。电流水平稳定在9.2 A的稳态水平。非NTC负载测试在计划的50，000个周期中大约26，000个周期提前终止。这是由于接触“粘”或点焊重复多次，并支持无限制容性浪涌开关通常是触点粘连的主要原因的论点。

5欧姆NTC：在继电器寿命测试期间单独使用每个NTC值，5欧姆的最高标称电阻NTC具有最大的峰值电流浪涌减少。峰值电流水平从 4.80 安培开始，比电路中没有任何 NTC 的寿命测试减少了 82% 以上。峰值电流脉冲持续时间在3.84 ms处测量，然后衰减到3.20 A的阶跃电流。在测试开始时，仅制造/携带脉冲长度测量为18.20 ms。

在中间周期再次记录测试测量值，并在50，000个开关周期结束时，然后与初始读数进行比较。由于NTC器件的热特性，工作温度的轻微升高会严重影响峰值电流水平，因为它增加了58%以上，达到7.60 A。经证实，阶跃电流水平增加了38%，达到4.40 A。

NTC寿命测试摘要

分析了峰值浪涌和稳态阶跃电流电平波形，以了解任何实质性趋势。正如预期的那样，NTC/继电器组合的快速循环确实随着时间的推移提高了各自的峰值和步进电流水平;然而，即使是最低的NTC值，浪涌也低于最大继电器触点额定值。

测试表明，对于1欧姆NTC，峰值浪涌电流的最大增益为36%，当5欧姆NTC在电路中时增加到58%。阶梯电流的增长要温和得多，范围从6%到最高38%。在测试期间比较了NTC外壳温度，比环境温度略微升高6至7°F，或升高8%至10%。NTC温度的微小变化证实了它会影响继电器寿命测试循环期间的峰值和步进电流水平。

触点评估，NTC后寿命测试

在寿命测试结束时，将五个继电器中的每一个从NTC/继电器开关板上取下并进行电气测试，以确认每个继电器都满足寿命后测试参数限制。对第一个继电器中常开和可移动触点的回顾表明，实质性的触点如预期的那样受到物质侵蚀和转移。该继电器在没有任何NTC电流限制的情况下切换了全容性负载，测试停止在26K周期，由于反复触点点焊，远低于50K周期。可移动接触面上有接触材料粘附和断裂的视觉迹象，这有助于点焊和移动接触表面的机械结合。

当电路中带有NTC的继电器被打开和分析时，讲述了一个完全不同的视觉故事。通过 1 欧姆 NTC 切换负载的继电器估计减少了 40% 到 50% 的材料传输，并大大减少了“锥形和陨石坑”的影响。通过测试，继电器通过最高电阻NTC（5欧姆）切换，常开触点上有轻微的材料堆积，可移动触点上有较小的相应坑。

展望未来

用户应用通常涉及来自常见EMI滤波源的容性负载。通过在热时间常数限制内使用NTC器件，它们被证实可以大大减少浪涌电流的大小和由此产生的接触材料侵蚀。实验表明，当存在容性负载时，浪涌电流的降低和触点侵蚀的减少通过帮助用户保持在继电器的额定产品性能规格范围内，延长了继电器触点的开关寿命。这些改进可以提高设备在军事和航空航天应用中的可靠性。