Halvledarteknik i distributionssystem

EL1813, Examensarbete, 15 hp

Högskoleingenjörsprogrammet i Elektronik och datorteknik, 180 hp

Vt 2018

HALVLEDARTEKNIK I DISTRBUTIONSSYSTEM

SOLID-STATE TECHNOLOGY IN

DISTRIBUTION SYSTEM

Tobias Gärdebro

UME˚ A UNIVERSITET 19 mars 2019 Till¨ ampad fysik och elektronik

Rapport

Teknisk rapport

Examensarbete i Elektronik och Datorteknik VT 2018, 15hp

Halvledarteknik i distributionssystem Solid-state technology in distribution system

Namn Tobias G¨ ardebro

E-mail toga0009@student.umu.se

Examinator: Ville Jalkanen

Handledare:

Daniel Nordin, Ola ˚ Agren

Sammanfattning

BAE Systems H¨agglunds anv¨ander s¨akringar och kontaktorer eller rel¨aer f¨or deras 28V-system. Kostnaden f¨or dessa ¨ar h¨oga och dem ¨ar utrymmes- kr¨avande. Syftet med detta projekt var att utveckla den befintliga el- centralen. M˚alet var att konstruera ett system baserat p˚a halvledarrel¨a med str¨omm¨atning samt s¨akerhetsfunktion.

En prototyp konstruerades med en sp¨anningsregulator, fyra optokop- plare, tv˚a kylfl¨ansar, och tv˚a stycken transistorer. Resultatet visade att prototypen tolererade str¨ommar upp till 70A p˚a en 24V-sp¨anning. Pro- totypen tolererade sannolikt h¨ogre sp¨anning och str¨om, men detta kunde inte verifieras.

Abstract

BAE Systems H¨agglunds uses fuses and contactors or relays for their 28V-systems. Prices for these are high and have simultaneously high space requirements. The purpose of this project as to develop the existing electric central. The objective was to construct a system based on solid- state relay with current measurement and a security-function.

A prototype was constructed with a voltage regulator, two heat sinks, four optocouplers, and two transistors. Results showed that the proto- type could withstand currents up to 70A at voltage of 24V. The proto- type could most likely operate at higher currents and voltages, but this could not be verified.

Halvledarteknik i distributionssystem Inneh˚allsf¨orteckning

Inneh˚ allsf¨ orteckning

1 Introduktion 1

1.1 Kravspecifikation 1

1.2 Avgr¨ansningar 1

1.3 Bakgrund 1

1.4 Definitoner och akronymer 2

1.5 Marknadsanalys 2

1.6 J¨amf¨orelse 3

2 Teori 5

2.1 Effektutveckling 5

2.2 Kylning 5

2.3 Maximal arbetsstr¨om 6

2.4 Banbredd 6

3 Metod 7

3.1 Material 7

3.2 Kopplingsschema 9

3.3 Konstruktion 9

3.4 Test 9

4 Resultat 12

4.1 Oversikt¨ 12

4.2 Konstruktion 13

4.3 Test 13

5 Diskussion 19

5.1 Felk¨allor 19

5.2 Temperatur och maxstr¨om 20

5.3 Skyddsfunktion och str¨omm¨atning 20

5.4 Volym och vikt 20

5.5 EMC 21

5.6 Kostnad 21

5.7 Vidareutveckling 21

5.8 Slutsats 22

K¨allf¨orteckning 23

A M¨atdata ¨over yttemperatur f¨or olika str¨ommar 25

B Kopplingsschema 26

Halvledarteknik i distributionssystem 1. Introduktion

1 Introduktion

I dagens fordon anv¨ander BAE Systems H¨agglunds (BAESH) s¨akringar tillsammans med kontaktorer eller rel¨aer f¨or kraftdistribution i deras 28V system. Kontaktorer anv¨ands ¨aven f¨or applikationer med laser f¨or str¨ommar ovan 20A. Idag l˚ases dem fast till att placera el- centraler f¨or att ge ˚atkomst till att ˚aterst¨alla utl¨osta automats¨akringar. Kostnad f¨or kontak- torer och s¨akringar i applikationerna ¨ar relativt h¨oga och samtidigt ¨ar de utrymmeskr¨avande.

Syftet med detta projekt ¨ar att utveckla den befintliga el-centralen f¨or att utnyttja utrymmet mer effektivt, samt att reducera produktionskostnaden.

M˚alet ¨ar att konstruera ett system baserat p˚a halvledarrel¨a med str¨omm¨atning samt s¨akrings- funktion. Rel¨aet ska dimensioneras f¨or en sp¨anning p˚a 28VDC och en str¨om p˚a 100A.

Samtliga krav f¨or systemet visas i tabell 1.

1.1 Kravspecifikation

Tabell 1 Kravspecifikation

Krav nr Beskrivning Prioritet

1 Ska finnas halvledarrel¨a som galvaniskt isolerar sp¨anningsk¨alla fr˚an styrsystem eller styrsignal. Havledarrel¨aet ska vara kon- struerat av en transistor och en optokopplare.

1

2 Str¨omm¨atning som kan m¨ata minst p˚a intervallet 0A - 100A. 1 3 En s¨akerhetsfunktion f¨or att skydda lasten vid h¨og str¨om 1 4 Volymen och vikten hos systemet ska inte vara st¨orre ¨an

mekaniskt rel¨a i nuvarande el-central

1 5 Rel¨aets yttemperatur ska inte ¨overstiga 70 ^oC vid maximal

str¨om ¨over lasten

1 6 Analogt ¨oversp¨anningsskydd och str¨omskydd 2

1.2 Avgr¨ansningar

Systemet ska endast tolerera positiva sp¨anningar och str¨ommar, och f¨oruts¨atter att brus hos sp¨anningsk¨allans signal ¨ar ideal. Systemet ska endast kunna arbeta vid normal operation p˚a 28V och fr˚an 0A till 100A. Sp¨anningsk¨allan antas bara kunna generera maximalt 120 % av grundv¨ardet, det vill s¨aga 120A och cirka 34V.

1.3 Bakgrund

Inom elektroniken ¨ar rel¨aets mest fundamentala uppgift att v¨axla sp¨anningen ¨over en last.

Rel¨aet ska idealt sett kunna styras med en relativt liten insignal. Traditionellt sett har elektromekaniska rel¨aer (EMR) anv¨ants f¨or att utf¨ora uppgiften, fr¨amst p˚a grund av kostnad, prestanda och tillg¨anglighet. Eftersom halvledartekniken har framtr¨att under senare tid kan halvledarrel¨aer (SSR) appliceras med b¨attre prestanda ¨an EMR [1].

Ett mekaniskt rel¨a best˚ar av minst en elektromagnet, en armatur, och ett kontaktst¨alle. N¨ar en str¨om passerar genom elektromagneten kommer armaturen att f¨orflytta sig vid kontak- tst¨allet. Den v¨axlar d˚a allts˚a pol [1,2].

Halvledarteknik i distributionssystem 1. Introduktion

Ett halvledarrel¨a best˚ar av en optokopplare och en halvledare. Beroende p˚a applikation kan halvledaren vara en MOSFET-transistor eller en tyristor. MOSFET har oftast en l˚ag tr¨oskelssp¨anning och kan anv¨andas till b˚ade AC- och DC-signaler. Tyristorer som SCR eller TRIAC anv¨ands vanligtvis f¨or AC-signaler [1].

1.4 Definitoner och akronymer

• EMR - Electromechanical Relay (mekaniskt rel¨a).

• Externt system - Ett inbyggt system i fordonet som ¨ar fysiskt skiljt ifr˚an systemet, men kan anslutas till systemet.

• SSR - Solid State Relay (halvledarrel¨a).

• Switch - En transistor med andra inbyggda funktioner s˚asom ¨overhettningsskydd eller

¨

oversp¨anningsskydd.

• Systemet - M˚alet med projektet. Med detta menas allts˚a halvledarrel¨aet (prototypen) som ska konstrueras.

• Tab och chip - Se figur 1

1.5 Marknadsanalys

I tabell 2 visas halvledarrel¨aer samt information om dessa. Tabellen inneh˚aller endast rel¨aer f¨or h¨ogre str¨ommar (minst 50A) och f¨or l¨agre sp¨anningar (fordonssp¨anning 12V - 28V).

Samtliga halvledarrel¨aer ¨ar av typen SPST (Single Pole Single Throw).

Tabell 2 Halvledarrel¨aers elektriska egenskaper Komponent Laststr¨om Last-

sp¨anning

Styr- sp¨anning

On-state resistans

HDC60D160H [3] 160A 7-48VDC 4.5-32VDC 3.5mΩ

S60D125 [4] 125A 24-660Vrms 7-30VDC Ok¨ant

SSR-240D125 [5] 125A 24-280VAC 4-32VDC Ok¨ant

HS D51125 [6] 125A 12 -

660VAC

3.5-32VDC Ok¨ant

Tabell 3 ¨Ovrig information hos halvledarrel¨aer

Komponent Volym (mm) Tillverkare Pris

HDC60D160H 43x74x104mm Crydom 1376,00

SEK[7]

S60D125 45x27x48mm Teledyne Re-

lays

260,34e[8]

SSR-240D125 44x47x58mm TE

Connectivity

97,35e[9]

HS D51125 45x29x48mm Selectron 2548,00 SEK [10]

Halvledarteknik i distributionssystem 1. Introduktion

Crydom ¨ar den vanligaste tillverkaren f¨or halvledarrel¨aer som tolererar str¨ommar ¨over 100A.

I tabell 3 visas volym och tillverkare f¨or halvledarrel¨aer. Viktigt att notera ¨ar all information har h¨amtats fr˚an endast tre leverant¨orer, ELFA, Mouser, och Farnell. Utbud och priser kan variera kraftigt mellan olika leverant¨orer.

I tabell 4 visas en tabell ¨over elektromekaniska rel¨aer samt information om dessa. Tabellen inneh˚aller endast rel¨aer f¨or h¨ogre str¨ommar (minst 100A) och ¨aven f¨or h¨oga sp¨anningar.

Notera att vissa elektromekaniska rel¨aer kan ha fler poler eller flera armaturer. Det finns allts˚a andra typer ¨an SPST i tabell 4.

Tabell 4 Elektromekaniska rel¨aers elektriska egenskaper

Komponent Laststr¨om Last-

sp¨anning

Typ Effekt

LEV200A4NAF [11] 500A 900VDC SPST Ok¨ant

AF140-30-11B-14 [12]

140A 690VDC 3PST 90kW

LC1D150FE7 [13] 150A 115V 3PST 100kW

Tabell 5 ¨Ovrig information hos elektromekaniska rel¨aer

Komponent Volym (mm) Tillverkare Pris

LEV200A4NAF 78x60x93mm TE

Connectivity

969,00 SEK [14]

AF140-30-11B-14 126x150x90mm ABB 5408,00 SEK

[15]

LC1D150FE7 158x120x136mm Schneider Electric

5477,00 SEK [16]

I tabell 5 visas volym och tillverkare f¨or elektromekaniska rel¨aer. F¨or b¨attre j¨amf¨orelse b¨or information h¨amtas fr˚an fler leverant¨orer.

1.6 J¨amf¨orelse

Elektromekaniska rel¨aer och halvledarrel¨aer har flera skillnader. Den f¨orstn¨amnda ¨ar mekanisk vilket inneb¨ar att den p˚averkas av vibrationer. Halvledarrel¨aer kan konstrueras helt utan mekaniska delar beroende p˚a applikation [17,18,2].

En annan skillnad ¨ar totala antalet operationer rel¨aet kan utf¨ora, eller uttryckt p˚a annat s¨att, dess livsl¨angd. Elektromekaniska rel¨aer har r¨orliga delar som kan brytas ner, deformeras eller l˚asas fast [1]. Ett elektromekanisk rel¨a kan ha en livstid p˚a 100000 till 500000 operationer, och ett halvledarrel¨a kan ha 50 miljoner till 500 miljoner operationer. Detta beror fr¨amst p˚a vilken typ av applikation [2,18]. Halvledarrel¨aer har generellt l¨angre f¨orv¨antad livsl¨angd [17].

Mekaniska rel¨aer p˚averkas ¨aven av kontaktstuds samt elektrisk ljusb˚age. Mekaniska rel¨aer orsakar kortvariga st¨orningar i signalen vilket ¨ar skadligt f¨or kontakterna och ¨ar inte optimalt f¨or applikationer d¨ar pulserna r¨aknas [2]. EMR har allts˚a kontaktstuds och den maximala studstiden blir tiden fr˚an att armaturen v¨axlar kontakt fr˚an den ena position till den an-

Halvledarteknik i distributionssystem 1. Introduktion

dra. N¨ar armaturen v¨axlar position s˚a bildas en ljusb˚age som ¨ar skadlig f¨or kontakterna.

Halvledarrel¨aerna saknar detta p˚a grund av att det inte finns kontakter [17,18].

En annan skillnad ¨ar hastighet. Operationshastigheten hos halvledarrel¨aer ¨ar snabbare ¨an elektromekaniska rel¨aer [2, 1]. Ett genomsnittligt mekaniskt rel¨a kan ha en switchtid p˚a 5 millisekunder till 20 millisekunder. Detta kan j¨amf¨oras med ett motsvarande halvledarrel¨a som kan ha en switchtid p˚a 0.25 millisekunder till 10 millisekunder [18].

Resistansen f¨or EMR och SSR skiljer sig ˚at. Mekaniska rel¨aer har oftast h¨ogre resistans i icke- ledande tillst˚and och l¨agre resistans i ledande tillst˚and ¨an halvledarrel¨aer [18]. Resistansen f¨or mekaniska rel¨aer ¨andras i DC-l¨age p˚a grund av elektrisk ljusb˚age [17]. F¨or halvledarrel¨aer bildas v¨arme och d˚a kan kylfl¨ans bli ett krav beroende p˚a applikationen [18].

Priser ¨ar ocks˚a en skillnad mellan rel¨atyperna. Generellt kostar halvledarrel¨aer mer ¨an elek- tromekaniska rel¨aer [18,2,1]. Produktionen av applikationer med halvledarrel¨aer kan bli bil- ligare ¨an mekaniska rel¨aer om komponenterna ¨ar ytmonterade, men detta varierar beroende p˚a applikation [17].

En annan skillnad ¨ar elektromagnetisk st¨orning (EMI) som kan p˚averka applikationens kom- patibilitet (EMC) med omgivningen. Halvledarrel¨aer genererar inte EMI i j¨amf¨orelse med mekaniska rel¨aer [18, 2, 1]. Enligt IXYS s˚a ¨ar halvledarrel¨aer inte heller k¨ansliga f¨or EMI [17].

Storleken skiljer sig ocks˚a mellan SSR och EMR. Volymen hos halvledarrel¨aer p˚a kretskort har en tendens att vara mindre ¨an motsvarande elektromekaniska rel¨aer [17, 1].

Halvledarteknik i distributionssystem 2. Teori

2 Teori

2.1 Effektutveckling

Enligt ett applikationsdokument fr˚an Rohm Semiconductor finns 5 olika typer av effektf¨orluster i en MOSFET transistor [19]:

• Ledande: Denna effektf¨orlust sker n¨ar transistorn leder str¨om med minimal resistans.

• Switchande: Effektf¨orlusten sker n¨ar transistorn v¨axlar fr˚an ledande till icke-ledande eller tv¨artom.

• D¨odtid: F¨or applikationer med transistorer p˚a b˚ade h¨og och l˚ag sida kan en h¨og effektf¨orlust bildas d˚a b˚ada transistorer aktiveras samtidigt.

• Gate-laddning: Effektf¨orlust i transistorns gate bildas d˚a den laddas upp.

• IC-operation: En effektf¨orlust in den integrerade kretsen.

Effektf¨orlusten under ledande tillst˚and kan ber¨aknas enligt f¨oljande

P = I²· R_DS(on) (1)

d¨ar P ¨ar effekten, I ¨ar str¨ommen, och R_DS(on) ¨ar transistorns resistans mellan drain och source.

Enligt Rohm Semiconductor kan effekten p˚a h¨og sida under v¨axlande tillst˚and ber¨aknas enligt ekvation 2

PSW −H = 1

2· VIN· Io· (tr+ tf) · fSW (2) d¨ar P_{SW −H} ¨ar effekten, V_IN ¨ar insp¨anningen, I_o ¨ar instr¨ommen, t_r ¨ar stigtiden f¨or transis- torn, t_f ¨ar falltiden, och f_SW ¨ar v¨axlingsfrekvensen [19].

2.2 Kylning

Enligt en sida fr˚an Rohm Semiconductor kan temperaturen i PN-¨overg˚angen TJ ber¨aknas enligt

T_J= P (R_{J C}+ R_CH+ R_HA) + T_A (3)

d¨ar P ¨ar effekten, RJ C ¨ar termiska resistansen mellan PN-¨overg˚angen och chip, RCH ¨ar temperaturen mellan chip och kylfl¨ansen, och TA ¨ar omgivningens temperatur [20].

Temperaturen i PN-¨overg˚ang kan ¨aven ber¨aknas enligt ekvation 4

T_J = T_C+ (R_{J C}· P ) (4)

d¨ar TC ¨ar temperaturen i chip [20].

Halvledarteknik i distributionssystem 2. Teori

2.3 Maximal arbetsstr¨om

Den maximala arbetsstr¨ommen IM AX, ¨ar den str¨om som en transistor kan arbeta p˚a, utan att ¨overstiga dess maximala arbetstemperatur TJ_{M AX}. F¨or att ber¨akna maximala str¨ommen s˚a m˚aste den h¨ogsta effekten ber¨aknas. Detta kan g¨oras fr˚an ekvation 3 enligt f¨oljande

P_{M AX} =T_{JM AX} RT H

(5)

d¨ar RT H ¨ar transistorns termiska resistans. Transistorns maximala arbetsstr¨om IM AX blir d˚a

IM AX =

s PM AX

R_{DS(ON )} (6)

d¨ar R_{DS(ON )} ¨ar transistorns resistans under ledande tillst˚and.

2.4 Banbredd

Minsta rekommenderade arean A kan ber¨aknas enligt

A = I

(k · T^b)^1c (7)

d¨ar I ¨ar str¨ommen, k, b, och c ¨ar konstanter, och T ¨ar temperaturen [21].

Bredden W kan d¨arefter ber¨aknas enligt

W = A

1.378 · H (8)

d¨ar H ¨ar tjockleken [21].

Halvledarteknik i distributionssystem 3. Metod

3 Metod

Projektet b¨orjade i en f¨orstudie d¨ar m˚alen var att unders¨oka bakgrunden till problemet, definiera alla krav, ta fram projektplan, och slutligen att framst¨alla en tidsplan. N¨ar f¨orstudien f¨ardigst¨allts var n¨asta steg att best¨amma vilka komponenter som skulle anv¨andas.

3.1 Material

Dem komponenter som best¨alldes kommer fr˚an ELFA eftersom det underl¨attade f¨or best¨allaren.

Ovriga komponenter var redan tillg¨¨ angliga fr˚an projektets start.

3.1.1 Switch

F¨or detta projekt valdes BTS442E2 [22] som switch. Komponenten ¨ar en smart power switch, fr˚an Infineons serie PROFET (Protection Field Effect Transistor). Den valdes fr¨amst f¨or att den har en h¨og str¨ombegr¨ansning, p˚a cirka 70A. Observera att den endast har en intern str¨omsensor som anv¨ands huvudsakligen f¨or str¨ombegr¨ansning. Str¨ombegr¨ansningens status kan tolkas genom ST-porten, men detta ¨ar inte lika med str¨omm¨atning.

BTS50055-1TMC [23] ¨ar en annan integrerad krets som ¨overv¨agdes, och den kommer fr˚an samma familj. Den har en dedikerad port f¨or str¨omm¨atning, men den valdes d¨aremot inte p˚a grund av begr¨ansat utbud hos ELFA vid best¨allningstillf¨allet.

Andra switchar som diskreta transistorer och drivkretsar som till exempel AUIR3200S [24]

¨

overv¨agdes. Den valdes inte p˚a grund av att en smart power switch inneh˚aller samtliga n¨odv¨andiga komponenter. D¨arf¨or blir anv¨and yta mindre. Nackdelen med en smart power switch ¨ar att den har generellt h¨ogre R_DS(on). Detta resulterar i en h¨ogre effektf¨orlust.

3.1.2 Kylfl¨ans

F¨or att dimensionera kylfl¨ansen s˚a ber¨aknades f¨orst effekten under ledande tillst˚and enligt ekvation 1

P = I²· R_DS(on)= 50A²· 20mΩ = 50W

Effekten per switch blir allts˚a cirka 50W, och det kr¨avs d˚a tv˚a switchar f¨or att tolerera 100A.

Effekten f¨or v¨axlande tillst˚and ber¨aknades med ekvation 2. Eftersom frekvens inte var ett krav f¨or detta projekt s˚a den antas vara l¨agre eller lika med 100 Hz. tr och tf kan hittas i databladet [22].

PSW −H =1

2 · VIN· Io· (tr+ tf) · fSW = 1

2· 28V · 50A · (350µs + 130µs) · 100Hz = 33.6W

Effekten blir d˚a 33.6W, och ¨annu l¨agre vid l˚aga frekvenser.

Temperaturen ber¨aknades med den maximala effekten, som allts˚a kommer att bli 50W f¨or varje enskild switch. D˚a kan TJ ber¨aknas enligt ekvation 3

Halvledarteknik i distributionssystem 3. Metod

T_J= P (R_{J C}+ R_CH+ R_HA) + T_A=

50W (0.75^oC/W + 0.7^oC/W + 0.9^oC/W ) + 25^oC = 142.5^oC

RJ C och RCH kan hittas i databladet f¨or BTS442E2, och RHA ¨ar kylfl¨ansens termiska re- sistans. Temperaturen i switchens PN-¨overg˚ang blir allts˚a 142.5^oC med en kylfl¨ans p˚a 0.9

oC/W. Det var m¨ojligt att v¨alja en kylfl¨ans med l¨agre termisk resistans f¨or l¨agre temper- atur, men volymen kommer d˚a att ¨oka vilket inte var ¨onskv¨art. Tv˚a kylfl¨ansar av modellen KS120.9-100E [25] valdes till prototypen, och dessa kan hittas i tabell 6.

3.1.3 Optokopplare

F¨or denna prototyp var en optokopplare n¨odv¨andig f¨or att ¨overf¨ora signaler med galvanisk isolation. Den komponent som valdes var 4N35 [26], fr¨amst p˚a grund av att den anv¨ants i andra orelaterade projekt. Detta underl¨attade eventuell fels¨okning.

3.1.4 Sp¨anningsregulator

F¨or att kunna driva signalen mellan optokopplare och switch s˚a valdes en sp¨anningsregulator, TS7805 [27]. Komponenten valdes fr¨amst p˚a grund av tillg¨anglighet samt p˚a grund av mini- mal uppkoppling. Det vill s¨aga endast tre anslutningar till skillnad fr˚an andra sp¨anningsregulatorer.

L¨osningar med h¨ogre verkningsgrader som till exempel switchomvandlare valdes inte p˚a grund av det inte var n¨odv¨andigt f¨or att uppfylla projektets alla delm˚al, och det skulle ¨aven f¨orl¨anga utvecklingstiden.

3.1.5 Oversikt¨

I tabell 6 visas huvudkomponenterna i systemet. ¨Ovriga diskreta komponenter som resis- torer, kondensatorer, eller induktanser inkluderas inte i tabellen. Observera att sp¨anningsregulatorn TS7805 redan fanns tillg¨anglig och beh¨ovde inte best¨allas. D¨arf¨or ¨ar priset 0 SEK.

Tabell 6 ¨Oversikt ¨over komponenter

Komponent Beskrivning Pris

BTS 442 E2 [22] Denna komponent ¨ar en s˚a kallad smart power switch (Infineon kallar serien f¨or PROFET). Den inneh˚aller allts˚a en transistor, drivkrets. Den har

¨

aven en intern str¨omm¨atning vilket inneb¨ar att det ¨ar m¨ojligt att avg¨ora om str¨ombegr¨ansningen har aktiverats. Komponenten anv¨ands vanligtvis som switch i halvledarrel¨aer.

54,72 SEK [28]

4N35 [26] En optokopplare anv¨ands f¨or att ¨overf¨ora en sig- nal mellan tv˚a olika sidor som ¨ar galvaniskt isol- erade.

4,09 SEK [29]

KS120.9-100E [25] En kylfl¨ans med termisk resistans p˚a 0.9 K/W och en volym p˚a 120x50x100mm.

152,00 SEK [30]

TS7805 [27] Komponenten ¨ar en sp¨anningsregulator p˚a 5V. 0 SEK

Halvledarteknik i distributionssystem 3. Metod

3.2 Kopplingsschema

Kopplingsschemat ritades i CADSTAR, ett mjukvaruprogram fr˚an Zuken. Schemat baser- ades fr¨amst p˚a applikationstill¨ampningar i komponenternas datablad. Planen var under denna fas att anv¨anda tv˚a switchar som skulle anv¨andas som ett rel¨a. D¨aremot fanns m¨ojligheten att l¨agga till fler komponenter om behovet fanns.

Analoga ¨oversp¨anningsskydd och str¨omskydd som till exempel s¨akringar lades inte till i kopplingsschemat eftersom det var en l¨agre prioritet.

Eftersom kopplingsschemat exporterades med l˚ag uppl¨osning s˚a ritades den om sedan i ett gratis ritprogram. Det skedde inga f¨or¨andringar mellan det nya och det gamla kopplingss- chemat. Det nya kopplingsschemat visas i figur 2.

3.3 Konstruktion

Kortet f¨or konstruktionen var ett rasterkort med cirka 35 um tjocklek. F¨or att ber¨akna minsta banbredden W anv¨andes ekvation 7 och ekvation 8. Dessa kan enkelt ber¨aknas med hj¨alp av en kretskortskalkylator [21]. Det ¨ar en kalkylator som anv¨ands f¨or att ber¨akna bland annat banbredd och tjocklek f¨or interna och externa kretskortslager. Den tar h¨ansyn till omgivningens temperatur och maximal str¨om.

Temperaturskillnaden antogs vara maximalt 70 grader relativt rumstemperatur (25^oC). Ban- bredden blev d˚a cirka 7 cm vilket inte ¨ar praktiskt f¨or ett kretskort, och inte heller f¨or ett rasterkort.

F¨or att l¨osa detta problemet valdes kablar som kunde leda ist¨allet f¨or PCB-banor. F¨or str¨ommar upp till 50A valdes 5mm-kablar, och f¨or sm˚asignaler anv¨andes 0.7mm kablar. F¨or att kunna tolerera 100A anv¨andes tv˚a stycken kablar f¨or att f¨ordela str¨ommen. F¨or att ansluta kablarna s˚a l¨oddes dessa fast direkt p˚a kretskortet, och s˚a n¨ara komponenterna som m¨ojligt.

Under konstruktionens g˚ang fels¨oktes och testades prototypen. Fel som uppstod var fr¨amst

¨

overl¨odningar och felkopplingar, men fel uppt¨acktes ¨aven i kopplingsschemat. Fel kopplingar hade skett mellan portar p˚a de integrerade kretsarna, och dessutom hade tv˚a av optop- kopplarna kopplats inverterat ist¨allet f¨or icke-inverterande. En sp¨anningsregulator TS7805 anv¨andes som drivkrets till optokopplarna p˚a switch-sidan och ¨aven den var felkopplad i kopplingsschemat. Samtliga fel beror p˚a den m¨anskliga faktorn.

Kylfl¨ans monterades p˚a rasterkortet, och kylpasta anv¨andes f¨or att l¨attare ¨overf¨ora v¨arme mellan kapsel och kylfl¨ans. F¨or att kyla sp¨anningsregulatorn s˚a valdes en kyfl¨ans p˚a 9.9 K/W. Notera att detta inte finns i kopplingsschemat.

3.4 Test

F¨or att unders¨oka hur prototypens yttemperatur p˚averkades s˚a testades den. All testutrust- ning som anv¨andes ¨ar f¨oljande:

• FLIR IR CAMERA E5 - En IR-kamera fr˚an FLIR SYSTEMS som kan m¨ata yttemperatur med en nogrannhet p˚a ±2^oC.

• 6269B DC POWER SUPPLY - ett sp¨anningsaggregat f¨or h¨oga str¨ommar

• PBX4740-70 DC POWER SUPPLY - ett sp¨anningsaggregat som kan leverera

Halvledarteknik i distributionssystem 3. Metod

upp till 70A

• TORKEL 820 TELECOM - en batteriurladdare som blir testuppst¨allningens last

Samtliga tester gjordes med FLIR IR CAMERA som ¨ar en IR-kamera som kan ta bilder och m¨ata yttemperaturen.

Tester gjordes mellan 0A - 70A d¨ar f¨orsta testet gjordes p˚a 1A och sedan 5A, och sedan p˚a 5A-intervall (till exempel 10A, 20A, 30A och s˚a vidare). Str¨omk¨allan kunde maximalt generera 70A vilket ¨ar anledningen till varf¨or h¨ogre str¨ommar inte testades. Kretskortet saknade s¨akringar och ¨oversp¨anningsskydd vilket innebar en s¨akerhetsrisk. Detta ¨ar varf¨or fordonsbatterier inte anv¨andes som str¨omk¨alla.

En 28V liksp¨anning anv¨andes f¨or att testa prototypen p˚a l¨agre str¨ommar mindre ¨an 10A.

Torkel 820 Telecom tolererade inte s˚a h¨og sp¨anning vilket ¨ar varf¨or en sp¨anning p˚a 24V valdes ist¨allet f¨or str¨ommar h¨ogre ¨an 10A.

Tre stycken m¨atpunkter anv¨andes f¨or varje intervall, en p˚a transistorns chip, transistorns tab, och p˚a kylfl¨ansen n¨ara transistorn. Yttemperaturen p˚a transistorns chip kan anv¨andas f¨or att ber¨akna temperaturen i PN-¨overg˚angen. Eftersom tabben anv¨ands f¨or att avleda v¨arme s˚a kommer den att bli den varmaste punkten p˚a prototypen. Det ¨ar allts˚a den som kommer att avg¨ora om krav 5 blir uppfyllt eller inte. Kylfl¨ansens yttemperatur anv¨ands inte till ber¨akningar, utan agerar endast som referensv¨arde.

Kylfl¨ansens yttemperatur m¨attes cirka 1 cm ifr˚an kapseln. M¨atningen utf¨ordes utan en uppst¨allning f¨or kameran vilket inneb¨ar att den m˚aste h˚allas fast med hand. Detta inneb¨ar att kameran skakar, och att m¨atpunkten blir mindre noggrann. F¨or att f¨ors¨oka kompensera f¨or detta s˚a utf¨ordes m¨atningarna med kameran endast ett par centimeter fr˚an prototypen fr˚an samma vinkel. Exempelbilder togs under ett annat tillf¨alle, och d˚a var avst˚andet ett par decimeter fr˚an kapseln och det var inte samma vinkel.

F¨or varje m¨atning s˚a samlades tre v¨arden in utav dessa valdes typv¨ardet. V¨ardena kunde variera mellan ±5^oC, och detta ans˚ags vara tillr¨ackligt noggrant vid m¨attillf¨allet.

Observera att rel¨aet best˚ar av tv˚a kapslar, men m¨atningar gjordes endast p˚a en av kapslarna.

Slumpm¨assiga kontroller utf¨ordes p˚a den andra kapseln f¨or att verifiera att dess yttemper- atur ¨overensst¨amde med uppm¨att v¨arde. Observera ¨aven att endast typv¨ardena sparades i resultatet. ¨Ovriga v¨arden kastades bort.

Figur 1: TO-220 kapsel

I figur 1 visas en figur ¨over en TO-220 kapsel. P˚a bilden illustreras m¨atpunkterna chip och tab, och det ¨ar allts˚a p˚a dessa punkter som m¨atningarna har gjorts. Kylfl¨ansens m¨atpunkt

Halvledarteknik i distributionssystem 3. Metod

illustreras inte p˚a bilden. Ibland anv¨ands ordet case vilket har f¨or detta projekt samma mening som ordet chip. Observera att detta ¨ar en TO-220 kapsel vilket inte ¨ar densamma som TO-220-7.

Halvledarteknik i distributionssystem 4. Resultat

4 Resultat

4.1 Oversikt¨

Tabell 7 Resultat fr˚an specifikationen

Krav nr Prioritet Status

1 1 Uppfyllt

2 1 Ej uppfyllt

3 1 Uppfyllt

4 1 Ej uppfyllt

5 1 Ej uppfyllt

6 2 Ej uppfyllt

I tabell 7 visas en tabell ¨over alla delkrav och deras status, det vill s¨aga om de har uppfyllt kraven eller inte.

Krav 1 ¨ar uppfyllt eftersom prototypen best˚ar av en transistor och en optokopplare. Krav 2

¨

ar ej uppfyllt p˚a grund av att BTS442E2 saknar port f¨or str¨omm¨atning. Den har en intern str¨omsensor, men den anv¨ands endast f¨or str¨ombegr¨ansning. Det finns inte heller n˚agon annan extern komponent som kan m¨ata str¨om. ST-porten i den integrerade kretsen kan anv¨andas f¨or att tolka switchens status. Till exempel kan anv¨andas f¨or att avg¨ora om den har ¨overstigit maximal arbetsstr¨om, men det ¨ar inte samma funktion som en str¨omm¨atning.

Anledningen till varf¨or krav 3 ¨ar uppfylld ¨ar p˚a grund av att switchens IN-port kan anv¨andas f¨or att st¨anga av str¨ommen om n¨odv¨andigt f¨or att skydda lasten. Krav 5 ¨ar ej uppfyllt p˚a grund av yttemperaturen hos tabben p˚a den integrerade kretsen ¨overstiger 100 grader Celsius vid 70A genom lasten.

Volymen hos det befintliga systemet uppm¨attes till cirka 80838 mm³ ± 1mm³, vilket ¨ar ungef¨ar 80,1 cm³. Prototypens volym ¨ar ¨over 1200 cm³, vilket inneb¨ar att krav nummer 4 inte ¨ar uppfyllt.

Krav 6 ¨ar inte uppfyllt p˚a grund av det inte finns ett analogt skydd f¨or varken str¨om eller sp¨anning.

Halvledarteknik i distributionssystem 4. Resultat

4.2 Konstruktion

I figur 2 visas en bild p˚a kopplingsschemat ¨over systemet. Den finns ¨aven tillg¨anglig som bilaga.

BTS442E2

HS

KS120.9-100E

4N35 1

2

3 4

5 6 470Ω

A

C NC

B

C E

1kΩ GND2

GND1

feed2 VCC2

fb2 4N35

1

2

3 4

5 6 470Ω

A

C NC

B

C E

1kΩ GND1

GND2

ctrl2 VCC1

drive2 4N35

1

2

3 4

5 6 470Ω

A

C NC

B

C E

1kΩ GND1

GND2

ctrl1 VCC1

drive1

4N35 1

2

3 4

5 6 470Ω

A

C NC

B

C E

1kΩ GND2

GND1

feed1 VCC2

fb1

VREG TS7805

vbb

VCC1

1 2

3 GND2

1

2

3

4

5

GND2 GND

IN

VBB

ST

OUT drive1 vbb

feed1

out BTS442E2

HS

KS120.9-100E 1

2

3

4

5

GND2 GND

IN

VBB

ST

OUT drive2 vbb

feed2

out

GND/TAB

IN OUT

Figur 2: Kopplingsschema ¨over systemet

4.3 Test

I figur 3 visas m¨atuppst¨allningen med prototypen i f¨orgrunden. I bakgrunden visas ett sp¨anningsaggregat PBX4740-70 DC POWER SUPPLY f¨or h¨og str¨om (upp till 70A). De tv˚a stora kylfl¨ansarna ¨ar monterade direkt till switcharna.

Halvledarteknik i distributionssystem 4. Resultat

Figur 3: Prototyp under testning

I figur 4 visas en bild fr˚an ovan.

Figur 4: Prototyp fr˚an ovan

I figur 5 visas en bild av lasten med testuppst¨allningen i bakgrunden. Torkel 820 Telekom

¨

ar designad f¨or att testa urladdning av batterier till basstationer, d¨arav namnet.

Halvledarteknik i distributionssystem 4. Resultat

Figur 5: Torkel 820 Telecom

I figur 6 visas ett test med 50A genom lasten med en sp¨anning p˚a cirka 23V. Prototypen ska egentligen klara 28V men lasten ¨ar inte dimensionerad f¨or den typen av sp¨anning vilket

¨

ar varf¨or en l¨agre sp¨anning anv¨ands.

Figur 6: 50A genom lasten

I figur 7 visas en bild fr˚an en v¨armekamera d˚a 50A passerar genom lasten. Notera att temperaturen p˚a ytan inte motsvarar temperaturen vid switchens PN-¨overg˚ang.

Halvledarteknik i distributionssystem 4. Resultat

Figur 7: Tempeartur vid kapseln vid ca 50A last

Figur 8: Tempeartur vid tabben vid ca 50A last

I figur 8 visas en bild fr˚an en v¨armekamera som ¨ar centrerad vid switchens tab d˚a 50A passerar genom lasten. Detta ¨ar allts˚a punkten d¨ar v¨armen ¨overf¨ors till kylfl¨ansen.

I figur 9 visas en bild som tagits med v¨armekamera fr˚an ovan av testuppst¨allningen.

Observera att m¨atv¨ardena fr˚an bilderna i figur 7, 8 och 9 inte anv¨andes till grafen i figur 10.

Andra m¨atv¨arden togs under ett tidigare tillf¨alle fr˚an en annan vinkel och med ett kortare avst˚and. Ett l¨angre avst˚and inneb¨ar att kameran kan m¨ata en annan del av kapseln eller en kabel av misstag. Dessa bilder b¨or allts˚a endast behandlas som exempelbilder. Se avsnitt 3.4 f¨or mer information.

Halvledarteknik i distributionssystem 4. Resultat

Figur 9: Tempeartur p˚a prototypen sedd fr˚an ovan

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60 70 80

T [⁰C]

I [A]

T (I)

Tsink Tcase Ttab Poly. (Tsink) Poly. (Tcase) Poly. (Ttab)

Figur 10: Graf av rel¨aets yttemperatur som funktion av str¨om

Halvledarteknik i distributionssystem 4. Resultat

I figur 10 s˚a visas en graf av f¨orh˚allandet mellan rel¨asystemets temperatur och str¨ommen.

Grafen best˚ar av insamlad data fr˚an tabell i bilaga A. Den gr˚a linjen visar temperaturen p˚a kapselns tab, den yta som avleder v¨arme fr˚an transistorn. Den bruna linjen visar tempera- turen p˚a kapseln (chip), och den bl˚a linjen visar kylfl¨ansens temperatur.

Observera att det inte finns exempelbilder f¨or test p˚a str¨ommar mellan 55A och 70A. Detta

¨

ar p˚a grund av begr¨ansat bildtillst˚and hos BAESH lokaler.

D˚a str¨ommen ¨ar 70A s˚a kommer effekten att vara cirka 24,5W f¨or varje switch. Detta inneb¨ar att temperaturen i PN-¨overg˚ang kan ber¨aknas enligt ekvation 4. Temperaturen TJ

i PN-¨overg˚angen ber¨aknas genom

TJ = TC+ (RCH· P ) = 69.9 + (0.75K/W · 24.5W ) = 88.275^oC

Temperaturen i PN-¨overg˚angen ¨ar allts˚a cirka 88.275 grader Celsius d˚a str¨ommen ¨ar 70A, enligt teorin.

Halvledarteknik i distributionssystem 5. Diskussion

5 Diskussion

5.1 Felk¨allor 5.1.1 Ber¨akningar

Under teori-avsnittet n¨amndes fem olika typer av effektf¨orluster. Under detta projekt har endast den ledande effektf¨orlusten och den switchande effektf¨orlusten anv¨ants f¨or att ber¨akna maximala effekter. Alla typer av effektf¨orluster ¨ar f¨orvisso f¨orsumbara eller inte relevanta f¨or det h¨ar projektet.

Enligt ett ber¨akningsexempel i applikationsdokumentet fr˚an Rohm s˚a kan effektf¨orlusterna fr˚an IC-operationen vara 12 mW, och den fr˚an gate-laddningen kan vara 20 mW [19]. Samma effektf¨orluster f¨or BTS442E2 antas vara ungef¨ar lika stora. Alla effektf¨orluster under 100 mW anses vara f¨orsumbara p˚a grund av att dem utg¨or en mycket liten andel av den totala effekten p˚a 2800W.

Men f¨or att verkligen utf¨ora en tr¨affs¨aker ber¨akning s˚a b¨or alla fem effektf¨orluster tas h¨ansyn till, oavsett hur sm˚a dem ¨ar.

5.1.2 Testmilj¨o och testuppst¨allning

Testerna utf¨ordes i en milj¨o d¨ar temperaturen inte var den ber¨aknade p˚a cirka 25^oC vilket inneb¨ar prototypen kan klara mer eller mindre str¨om.

En annan felk¨alla var lastens kylning. Lasten, allts˚a Torkel 820 Telekom hade fl¨aktar som kylde f¨or att den skulle klara den h¨oga str¨ommen. Fl¨aktarna genererade mycket luftr¨orelse, vilket inneb¨ar att kylningen p˚a prototypen f¨orb¨attras. Detta inneb¨ar att den klarar mer str¨om i testmilj¨on ¨an i en verklig milj¨o.

F¨or en mer tr¨affs¨aker m¨atning s˚a b¨or en str¨omk¨alla som klarar av att leverera mer ¨an 70A anv¨andas. Lasten som anv¨ands f¨or att testa sp¨anningen b¨or ¨aven tolerera mer ¨an 24V.

Sp¨anningen b¨or ¨aven m¨atas noggrant f¨or att unders¨oka om det sker n˚agot sp¨anningsfall, eftersom detta kan betyda att det sker en effektf¨orlust.

5.1.3 Instrumentets noggrannhet och datainsamling

Instrumentet (FLIR IR CAMERA E5) har en noggrannhet p˚a ±2^oC. F¨or att g¨ora m¨atningen mer tr¨affs¨aker s˚a hade tv˚a stycken kameror av samma modell kunnat anv¨andas f¨or att ge mer tr¨affs¨akra m¨atv¨arden. M¨atpunkterna p˚a prototypen markerades inte heller vilket betyder att temperaturen inte m¨attes fr˚an exakt samma punkt. Den kan allts˚a variera. Dessutom s˚a kan kameran skaka p˚a grund av att den inte ¨ar fastmonterad. F¨or en b¨attre m¨atning s˚a b¨or kameran monteras fast och m¨atpunkterna b¨or markeras med en markeringspenna.

Ett alternativ till v¨armekamera hade kunnat vara att anv¨anda en annan typ av temper- atursensor, som till exempel en termistor.

F¨or detta projekt s˚a valdes typv¨ardet dels p˚a grund av enkelhet, och dels p˚a grund av liten tids˚atg˚ang. Eftersom endast ett v¨arde beh¨over sparas f¨or varje intervall s˚a blir m¨atningen enkel att genomf¨ora. Det kr¨avs inte heller n˚agon ber¨akning. Dessutom s˚a utf¨ordes m¨atningen under projektets sista dagar, s˚a en snabb m¨atning var viktig f¨or att klarg¨ora projektet i tid.

Halvledarteknik i distributionssystem 5. Diskussion

F¨or att g¨ora en mer noggrann m¨atning s˚a kan ett genomsnitt ber¨aknas p˚a till exempel 5 v¨arden. Dessutom s˚a b¨or m¨atningar fr˚an b˚ada kapslar utf¨oras, ist¨allet f¨or att g¨ora kontroller p˚a den ena kapseln.

5.2 Temperatur och maxstr¨om

Det ¨ar sannolikt att prototypen klarar en instr¨om p˚a 100A vid 24V eftersom PN-¨overg˚angens temperatur var cirka 88 grader Celsius vid 70A. Maxmimala arbetstemperaturen f¨or BTS442- E2 ¨ar 150 grader Celsius, vilket betyder att den klarar h¨ogre effekter ¨an 24.5W.

D¨aremot s˚a beh¨over inte yttemperaturen hos chippet motsvara den interna temperaturen.

Det ¨ar sannolikt att den ¨ar n˚agra grader^oC h¨ogre under plastytan. Med det i ˚atanke s˚a b¨or den fortfarande klara h¨ogre str¨ommar ¨an 70A. Str¨ommar fr˚an 70A till 90A ¨ar inte orealistiskt f¨or prototypen. Det ¨ar osannolikt att den klarar mer ¨an 100A eftersom prototypen inte ¨ar dimensionerad f¨or s˚a h¨oga str¨ommar. Det ¨ar ¨aven sannolikt att den klarar 28V p˚a intervallet 0A - 70A eftersom databladet anger 35V som maxsp¨anning.

Att avg¨ora med s¨akerhet vilka effekter som prototypen faktiskt tolererar ¨ar inte m¨ojligt eftersom det saknas m¨atningar ovanf¨or 70A.

Krav nummer 5 b¨or inte bli uppfyllt eftersom tabbens temperatur ¨overstiger 100 grader Celsius vid 70A.

5.3 Skyddsfunktion och str¨omm¨atning

BTS442E2 har inbyggda skyddsfunktioner som till exempel str¨omskydd. Den kan dessu- tom st¨angas av med IN-porten, och ST-porten kan anv¨andas f¨or att f˚a information om kretsen. ¨Ovriga skydd saknas i systemet. Kretskortet har ingen s¨akring och det finns inget

¨

oversp¨anningsskydd. I en fordonsmilj¨o s˚a ¨ar detta s¨arskilt viktigt.

BTS442E2 har ingen str¨omm¨atning. Det finns andra integrerade kretsar fr˚an samma familj som har en s˚adan funktion som till exempel BTS50055-1TMC [23]. Den kunde inte v¨aljas p˚a grund av begr¨ansat utbud hos ELFA vid best¨allningstillf¨allet.

5.4 Volym och vikt

En m¨atning gjordes p˚a den nuvarande elcentralen, och motsvarande mekaniskt rel¨a hade en volym p˚a cirka 80838 mm³± 1mm³, vilket ¨ar ungef¨ar 80,1 cm³. Prototypen har en volym p˚a

¨

over 1200 cm³vilket ¨ar mycket st¨orre. Prototypen har allts˚a inte uppfyllt kravet p˚a mindre volym.

En j¨amf¨orelse kan g¨oras med halvledarrel¨aet HDC60D160H som tolererar str¨ommar upp till 160A, och en sp¨anning p˚a 48V [3]. Databladet f¨or HDC60D160H rekommenderar kylfl¨ansen HS053 som har en volym p˚a cirka 2064,1 cm³ [31].

Det ¨ar allts˚a mycket st¨orre ¨an prototypen. Anledningen varf¨or detta ¨ar fallet ¨ar mest troligtvis p˚a grund av h¨oga effektf¨orluster. Detta ¨ar ett oundvikligt problem f¨or halvledar- rel¨aer. Mekaniska rel¨aer kr¨aver ingen kylning, vilket ¨ar varf¨or deras volymer ¨ar mindre.

Vikt ¨ar inte m¨ojligt att j¨amf¨ora eftersom det saknas m¨atningar p˚a b˚ade el-centralen och p˚a prototypen. Det ¨ar d¨aremot mycket sannolikt att vikten f¨or prototypen ¨ar st¨orre ¨an det mekaniska rel¨aet p˚a grund av kylfl¨ansarna.

Halvledarteknik i distributionssystem 5. Diskussion

5.5 EMC

Elektromagnetisk kompatibilitet ¨ar n¨odv¨andigt f¨or att prototypen ska kunna utf¨ora sina arbetsuppgifter i en fordonsmilj¨o.

Med tanke p˚a kabelhanteringen fr˚an bilderna s˚a ¨ar sannolikheten att den klarar av fordon fr˚an BAESH mycket liten. Men det ¨ar inte m¨ojligt att definitivt avg¨ora detta. Det saknas m¨atningar och det ¨ar d¨arf¨or inte m¨ojligt att g¨ora en j¨amf¨orelse.

5.6 Kostnad

Den totala kostnaden blir 210,81 SEK vilket ¨ar mycket mindre ¨an vad ett mekaniskt rel¨a, eller ett halvledarrel¨a kan kosta. ¨Aven om TS7805 m˚aste best¨allas s˚a blir kostnaden mest troligtvis endast ett par kronor h¨ogre. D¨aremot m˚aste ett kretskort best¨allas och komponen- ter m˚aste monteras fast, vilket kan ¨oka kostnaden. Dessutom s˚a m˚aste prototypen uppfylla kravspecifikationen. Kostnad spelar ingen roll om den inte klarar av m˚alen.

Masstillverkning och specialtillverkade komponenter kan ocks˚a p˚averka priserna kraftigt.

Det inneb¨ar att det inte g˚ar att avg¨ora med s¨akerhet vad som ¨ar billigast.

5.7 Vidareutveckling 5.7.1 Aktiv kylning

Ett alternativ f¨or att minska volymen hos rel¨aet ¨ar att anv¨anda aktiv kylning. I det h¨ar fallet kan fl¨aktkylning anv¨andas f¨or att kyla kylfl¨ansen. Kylfl¨ansens volym kan d˚a vara mycket mindre. Om fl¨aktkylning anv¨ands s˚a kan det ¨aven finnas ett reglersystem som reglerar fl¨aktens varvtal. P˚a det s¨attet kan varvtalet variera beroende p˚a effekten i rel¨aet.

Problemet med fl¨aktkylningen ¨ar att den m˚aste vara s˚a p˚alitlig som m¨ojligt. Apparater med mekaniska delar kommer att slitas ut f¨ore elektroniken i fordonet. Om fl¨akten slutar fungera och rel¨aet uts¨atts f¨or h¨og effekt s˚a kommer den ocks˚a att sluta fungera.

Fr˚agan ¨ar ocks˚a hur effektivt det skulle vara, och hur den ska kylas. Ska fl¨akten monteras direkt p˚a kylfl¨ansen eller ska den monteras p˚a el-centralen? Trots potentiella problem s˚a

¨

ar aktiv kylning definitivt v¨art att unders¨oka och testa eftersom volymen kan bli mycket mindre.

Ett alternativ till fl¨aktkylning ¨ar vattenkylning, men tillg˚ang till kylvatten i el-centralen kan eventuellt bli ett problem. Luft kommer alltid att finnas tillg¨angligt i fordonet och d¨arf¨or ¨ar det enklare att anv¨anda fl¨aktkylning.

5.7.2 Power Switch

Den switchen som valdes hade kunnat vara en med l¨agre R_{DS(ON )} f¨or att f˚a en l¨agre effekt

¨

over transistorn. Den h¨ar switchen var normalt 18mΩ men hade kunnat vara l¨agre som till exempel 5mΩ. D˚a hade effekten minskat vilket hade lett till att volymen hade minskat eftersom en mindre kylfl¨ans kan v¨aljas till designen. Eller s˚a kan samma kylfl¨ans v¨aljas, men d˚a t˚al prototypen mycket mer str¨om. Det finns ocks˚a andra switchar fr˚an samma familj som har andra funktioner som till exempel str¨omm¨atning vilket kan vara ¨onskv¨art f¨or ¨okad s¨akerhet.

Halvledarteknik i distributionssystem 5. Diskussion

Ett annat f¨orslag ¨ar att dela p˚a str¨ommen mellan olika switchar. Om till exempel 10 switchar delar p˚a en str¨om p˚a 100A s˚a kommer varje switch att ha en str¨om p˚a 10A (ungef¨ar). Om switchen har R_{DS(ON )} p˚a 5mΩ s˚a kommer effekten ¨over varje switch att bli cirka 0.5W.

Den totala effektf¨orlusten f¨or hela prototypen blir ungef¨ar 5W. I teorin s˚a ¨ar det m¨ojligt att konstruera ett halvledarrel¨a utan kylfl¨ansar, och d˚a blir volymen liten.

Risken med att dela p˚a str¨ommen mellan olika switchar ¨ar att effekten skiljer sig ˚at mellan varje enskild integrerad krets. Detta blir ett s¨arskilt stort problem om mer ¨an en styrsignal anv¨ands f¨or att ¨oppna eller st¨anga rel¨aet. Risken finns att om flera av signalerna blir f¨ordr¨ojda s˚a kommer en stor effekt att bildas i en av switcharna. Det vill s¨aga, den kommer att f¨orst¨oras av den enorma effekten, och hela rel¨aet kommer att p˚averkas. Detta b¨or inte vara ett problem s˚a l¨ange samma styrsignal kontrollerar alla switchar.

5.7.3 Kretskort

F¨or den h¨ar typen av applikation s˚a rekommenderas en PCB med tjocklek p˚a minst 105 um.

Orsaken ¨ar att varje bana m˚aste tolerera h¨oga effekter. Om effekten ¨ar f¨or h¨og s˚a kommer det inte vara tillr¨ackligt f¨or banan och d˚a m˚aste den ers¨attas med till exempel en PCB- jumper. Eftersom volymen f¨or den h¨ar typen av applikation ska vara s˚a l˚ag som m¨ojligt s˚a b¨or PCB-tjockleken vara s˚a tjock som m¨ojligt.

Kretskortet b¨or ¨aven ha flera lager eftersom PCB-banor kan anv¨andas p˚a varje lager f¨or att minska str¨ommen, och d¨armed effekten ¨over varje bana. Kretskortet m˚aste ¨aven kunna anslutas till sp¨anningsk¨allan. F¨or detta s˚a kan en kopplingsplint f¨or h¨oga effekter anv¨andas som anslutningspunkt. Ett alternativ ¨ar m¨ojligtvis n˚agon typ av kabelskoanslutning som kan skruvas fast p˚a kretskortet.

5.7.4 Intelligent styrning

Rel¨aet b¨or styras, antingen fr˚an ett separat styrkort (externt system), eller direkt p˚a kret- skortet med switcharna. Detta kan ˚astadkommas med en mikrokontroller, eller en FPGA.

Mikrokontroller har f¨ordelar med s¨akerhetsfunktioner s˚asom WDT (WatchDog Timer), eller BOD (Brown-Out Detection). Det skulle d¨aremot vara m¨ojligt att implementera en egen s¨akerhets-funktion p˚a en FPGA. Dessutom har FPGA f¨ordelar i tidskritiska applikationer p˚a grund av parallell I/O.

5.8 Slutsats

Prototypen tolererar sannolikt minst 70A, men inte mer ¨an 100A, och detta vid 24V. Den klarar sannolikt ¨aven 28V mellan 0A och 70A. Krav 1 och 3 blev uppfyllda, och krav 2, 4, 5, och 6 blev inte uppfyllda.

Kostnaden f¨or prototypen ¨ar mindre ¨an f¨or motsvarande mekanisk rel¨a i nuvarande sys- tem, men priserna kan ¨oka eller minska beroende p˚a specialtillverkade komponenter och masstillverkning. Volymen hos prototypen ¨okade ocks˚a markant, och detta beror fr¨amst p˚a effektf¨orlusten.

Prototypen kan f¨orb¨attras genom att v¨alja b¨attre switch, ett tjockt kretskort med kabel- skoanslutning, och intelligent styrning. Det ¨ar ¨aven m¨ojligt att anv¨anda fl¨aktkylning f¨or att tolerera mer effekt.

Halvledarteknik i distributionssystem K¨allf¨orteckning

K¨ allf¨ orteckning

[1] Solid State Optronics, “Solid State Relays vs. Electromechanical Relays.” 2014-11- 10, H¨amtad 2018-11-02, http://www.ssousa.com/application-notes/AppNote040_

Solid-State-Relays-vs-Electromechanical-Relays.pdf.

[2] Crydom, “Solid State Relays vs. Electromechanical Relays.” 2014-10, H¨amtad 2018-11-02, http://www.crydom.com/en/tech/newsletters/solid%20statements%

20-%20ssrs%20vs%20emrs.pdf.

[3] Crydom, “HDC Series.” H¨amtad 2018-11-02,http://www.farnell.com/datasheets/

1604931.pdf?_ga=2.59546408.40116082.1522841786-165779573.1522155283.

[4] Teledyne Relays, “Series S.” H¨amtad 2018-11-02,https://www.mouser.se/ds/2/404/

s-13904.pdf.

[5] TE Connectivity, “SSR Series “Hockey Puck” Solid State Relay With Paired SCR Output.” H¨amtad 2018-11-02, https://www.mouser.se/datasheet/2/418/NG_

DS_1308242_SSR_1117-718836.pdf.

[6] Selectron, “Solid State Relay.” H¨amtad 2018-11-02, https://www.elfa.se/Web/

Downloads/_e/ng/SolidStatesRelais2013_eng.pdf.

[7] Crydom, “HDC Series.” H¨amtad 2019-01-27, https://se.farnell.com/crydom/

hdc60d160/contactor-ssr-panel-mount-160a/dp/2211301.

[8] Teledyne Relays, “S60D125.” H¨amtad 2019-01-27, https://www.mouser.

se/ProductDetail/Teledyne-Relays/S60D125?qs=%2Fha2pyFaduheHGt%

2Fi6gVTrZxO081TyV6Qzx14xfBQww%3D.

[9] TE Connectivity, “SSR-240D125.” H¨amtad 2019-01-27, https://

www.mouser.se/ProductDetail/TE-Connectivity-PB/SSR-240D125?qs=

%2Fha2pyFaduj3yBiyasTB7GKAvOI6GlPCbvUhsHLHou97SR%252b%252bEz1Wpw%3D%3D.

[10] Selectron, “HS D51125 - Halvledarrel¨a 3.5...32 VDC, Selectron.” H¨amtad 2019- 01-27, https://www.elfa.se/sv/halvledarrelae-32-vdc-selectron-hs-d51125/

p/13746059?queryFromSuggest=true.

[11] TE Connectivity, “KILOVAC LEV200 Series Contactor With 1 Form X.” H¨amtad 2018-11-02,http://www.farnell.com/datasheets/1972066.pdf?_ga=2.255974286.

40116082.1522841786-165779573.1522155283.

[12] ABB, “AF140-30-11B-14.” H¨amtad 2018-11-02, http://www.farnell.com/

datasheets/2223812.pdf?_ga=2.30530362.40116082.1522841786-165779573.

1522155283.

[13] Schneider Electric, “LC1D150FE7.” H¨amtad 2018-11-02, http://www.farnell.com/

datasheets/2572954.pdf?_ga=2.92010271.40116082.1522841786-165779573.

1522155283.

[14] TE Connectivity, “LEV200A4NAF - Kontaktor, 500 A, Fl¨ansmontering, 900 VDC, SPST-NO, 1-polig.” H¨amtad 2019-01-27, https://se.farnell.com/kilovac-te- connectivity/lev200a4naf/relay-power-spno-12v-side-mount/dp/2103577.

[15] ABB, “AF140-30-11B-14 - Kontaktor, 140 A, DIN-Skena, 690 V, 3PST-NO, 3- polig, 90 kW.” H¨amtad 2019-01-27, https://se.farnell.com/abb/af140-30-11b- 14/kontaktor-3pst-no-690v-din-skena/dp/2564901.

Halvledarteknik i distributionssystem K¨allf¨orteckning

[16] Schneider Electric, “LC1D150FE7 - Kontaktor, 150 A, DIN-Skena, Panel, 1 kV, 3PST- NO, 3-polig, 100 kW .” H¨amtad 2019-01-27, https://se.farnell.com/schneider- electric/lc1d150fe7/kontaktor-3pst-no-115v-dinskena/dp/2835289.

[17] IXYS IC Division, “Advantages of Solid-State Relays Over Electro-Mechanical Re- lays.” 2014-04-21, H¨amtad 2018-11-02,http://www.ixysic.com/home/pdfs.nsf/www/

AN-145.pdf/$file/AN-145.pdf.

[18] TE connectivity, “Electromechanical vs. Solid State Relay Characteristics Com- parison.” H¨amtad 2018-11-02, http://www.te.com/commerce/DocumentDelivery/

DDEController?Action=srchrtrv&DocNm=13C3235_AppNote&DocType=CS&DocLang=

EN.

[19] ROHM SEMICONDUCTOR, “Calculation of Power Loss (Synchronous).” H¨amtad 2018-11-02, http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/

power/switching_regulator/power_loss_appli-e.pdf.

[20] ROHM SEMICONDUCTOR, “Calculating Transistor Chip Temperature.”

H¨amtad 2018-11-02, https://www.rohm.com/electronics-basics/transistors/

calculating-transistor-temperature.

[21] Advanced Circuits 4PCB, “Trace Width Calculator.” H¨amtad 2018-11-02, https://

www.4pcb.com/trace-width-calculator.html.

[22] Infineon, “PROFET BTS 442 E2.” H¨amtad 2018-11-02,https://www.elfa.se/Web/

Downloads/_t/ds/BTS442E2_DS_v11_Infineon_eng_tds.pdf.

[23] Infineon, “Data Sheet BTS50055-1TMC.” H¨amtad 2018-11-02, http://www.farnell.

com/datasheets/1932158.pdf?_ga=2.246078274.771176038.1524462953- 165779573.1522155283.

[24] Infineon, “MOSFET DRIVER WITH PROTECTION AND DIAGNOSTIC.” H¨amtad 2018-11-02,http://www.farnell.com/datasheets/2290921.pdf.

[25] Austerlitz-electronic, “K¨uhlschienen Extruded profiles.” H¨amtad 2018-11-02, https:

//www.elfa.se/Web/Downloads/_t/ds/ks120-9_ger_tds.pdf.

[26] VISHAY, “4N35.” H¨amtad 2018-11-02,https://www.vishay.com/docs/81181/4n35.

pdf.

[27] TAIWAN SEMICONDUCTOR, “TS7800 Series.” H¨amtad 2018-11-02, http://www.

mouser.com/ds/2/395/TS7800_A07-231950.pdf.

[28] Infineon, “BTS442E2 - Smart SIPMOS, ”High Side”, 1-kanal TO-263, Infi- neon.” H¨amtad 2019-01-27, https://www.elfa.se/sv/smart-sipmos-high-side- kanal-to-263-infineon-bts442e2/p/17101446.

[29] VISHAY, “4N 35 - Optokopplare DIP-6, Vishay.” H¨amtad 2019-01-27, https://www.elfa.se/sv/optokopplare-dip-vishay-4n-35/p/17536477?

queryFromSuggest=true.

[30] Austerlitz-electronic, “KS120.9-100E - Kylfl¨ans 0.9 K/W, Austerlitz Elec- tronic.” H¨amtad 2019-01-27, https://www.elfa.se/sv/kylflaens-austerlitz- electronic-ks120-100e/p/17562861?queryFromSuggest=true.

[31] Crydom, “HS053.” H¨amtad 2019-03-19, http://www.farnell.com/datasheets/

697783.pdf.

Halvledarteknik i distributionssystem A. M¨atdata ¨over yttemperatur f¨or olika str¨ommar

Bilaga A M¨ atdata ¨ over yttemperatur f¨ or olika str¨ ommar

Tsink (^oC)

Tcase(^oC) Ttab(^oC) Iurladd(A)

25.8 26.4 26.5 1.0

26.2 26.5 26.7 5.0

26.2 26.5 26.7 10.0

26.4 27.2 28.5 15.0

26.7 28.1 31.1 20.0

28.1 29.9 33.0 25.0

29.2 32.2 34.5 30.0

30.1 35.4 37.5 35.0

32.5 38.5 45.0 40.0

34.9 42.0 55.0 45.0

38.2 48.0 59.0 50.0

38.4 48.6 72.0 55.0

42.2 55.5 81.0 60.0

46.9 59.0 85.0 65.0

51.3 69.9 103.0 70.0

Halvledarteknik i distributionssystem A. M¨atdata ¨over yttemperatur f¨or olika str¨ommar

Bilaga B Kopplingsschema

BTS442E2

HS

KS120.9-100E

4N35 1

2

3 4

5 6

470Ω

A

C

NC

B

C

E

1kΩ

GND2

GND1

feed2 VCC2

fb2 4N35

1

2

3 4

5 6

470Ω

A

C

NC

B

C

E

1kΩ

GND1

GND2

ctrl2 VCC1

drive2 4N35

1

2

3 4

5 6

470Ω

A

C

NC

B

C

E

1kΩ

GND1

GND2

ctrl1 VCC1

drive1

4N35 1

2

3 4

5 6

470Ω

A

C

NC

B

C

E

1kΩ

GND2

GND1

feed1 VCC2

fb1

VREG

TS7805

vbb

VCC1

1 2

3

GND2

1

2

3

4

5

GND2 GND

IN

VBB

ST

OUT drive1

vbb

feed1

out

BTS442E2

HS

KS120.9-100E

1

2

3

4

5

GND2 GND

IN

VBB

ST

OUT drive2

vbb

feed2

out

GND/TAB

IN

OUT