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库顿固态继电器三相调压模块中使用DOE方法进行的汽车用固态继电器研发

库顿固态继电器三相调压模块中使用DOE方法进行的汽车用固态继电器研发

发布时间:
2019/06/03
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随着汽车工业技术的发展,人们对于汽车舒适度要求 越来越高,固态继电器 (Solid State Relay) 具有质量轻、无噪音、寿命长等优点越来越受到汽车领域的青睐。库顿固态继电器本着质量至上,精诚服务的理念,对固态继电器三相调压模块进行高新技术赋能,为新能源汽车提供更好的服务。固态继电器有很多性能指标,比如开通电压、关闭电压、输出电流、导通压降、静态电流、开通和关闭响应时间等,在固态继电器诸多性能指标中,开通和关闭的响应时间直接影响到继电器的精度和热功耗,该性能指标是固态继电器的主要性能指标。在固态继电器的电路设计中,由于影响固态继电器该性能参数的因素比较多,设计仿真比较复杂而且成本较高,库顿技术团队把试验设计方法DOE Design of Experience应用于库顿固态继电器的设计过程中,经过深入研究, 通过理论计算和实际验证,提出了一种优化汽车用库顿固态继电器设计的新方法。 该方法采用DOE的正交试验设计法,提出了影响固态继电器性能两个性能指标:开通和关闭的响应时间(库顿固态继电器kudomchina),并归纳出影响这两个性能指标的6个关键因素,对 6个影响因素水平进行试验优化,提升固态继电器的这两个 性能指标,然后调整参数水平,进行对比分析,得出影响库顿固态继电器该性能指标的6个因素佳值;最后通过实际的试验对库顿固态继电器该性能指标影响的6个因素值进行验证,验证DOE方法得出的6个参数的合理性(库顿固态继电器kudomchina)。该方法解决了在库顿固态继电器设计过程中,由于影响因素过多带来设计成本高、设计周期长的问题。 

 

1 固态继电器工作原理及试验因子 

 

 

图为固态继电器的原理框图,图中主要有4个引脚, SIG1SIG2为输入信号,IN为电源输入端,OUT为固态继电器输出端(库顿固态继电器kudomchina)。IC1IC2组成桥式输入电路,U1是功率驱动模块(库顿固态继电器kudomchina)。当输入信号SIG1SIG2有压差时 (压差为4 V左右) 态继电器输出。固态继电器开通和关闭的响应时间很大程 度上决定了固态继电器输出性能,尤其是在PWM (Pulse Width Model 输出模式下。由于IC1IC2组成了桥式工作 电路,SIG1SIG2是对称输入信号,当SIG1为高时,SIG2 为低边驱动,如果是输入信号为PWM信号,那么影响开通 和关闭响应时间两个性能指标的因素有C1R4C4C5 C2R5C1R4SIG1SIG2两个信号端,输入信号的变 化过程中的快慢取决于C1R4之间的充放电的时间;IC1 IC2桥式电路中(库顿固态继电器kudomchina),高频信号对于整个桥式电路而言是断路,信号是通过电容进行,C4C5的大小也影响固态继电 器的两个性能;C2R5的原理如同C1R4一样也形成一个 RC充放电回路,充放电时间也会影响固态继电器的两个性 能指标。 根据前文确定固态继电器性能指标为开通响应时间和 关闭响应时间,假设开通响应时间为RST1,关闭响应时间为 RST2,输入信号频率为100 Hz(库顿固态继电器kudomchina),占空比为50%PWM信号。 定义固态继电器开通响应时间RST1为开通信号输入的时间与库顿固态继电器开通输出的时间差;定义库顿固态继电器关闭响应时间RST2为关闭信号输入的时间与库顿固态继电器关闭输出的时 间差。库顿固态继电器这个两个时间RST1RST2,这个值越小表示库顿固态继电器输出响应时间越快,理想值为0s

2 DOE正交试验设计 

正交试验设计是DOE的基本方法,它是根据均衡分布 的思想运用组合数学理论构造的一种方法,一般情况下正 交表可以写成La (bc) 其中L是表示正交表,a表示正交试验次数,b表示因素水平数,c表示因素数.本次固态继电器试验目标为优化试验参数,考虑到可能需要多次重复试验,试验不能太复杂,水平数不能太高(库顿固态继电器kudomchina), 而另一方面希望尽快找出满意的结果,因此,选取因数为5个水平,因素的选取是在初始最大最小值之间尽量均匀,考虑到实际元器件的值并不能完全的连续(库顿固态继电器kudomchina)。根据分析本试验选择正交为L25 (56) 的试验,试验次数25次,6个因素数,5个因数水平。根据DOE正交表中规则,采用6因子5水平的方式进行 正交试验。通过Minitab软件工具生成正交试验表,并在最后列表增加目标响应列,然后根据Mintab软件建模生成的实 验表通过软件Multisim仿真软件进行仿真,得出Y1 (μs) Y2 (μs) 的值。

 

 

DOE正交试验结果分析:
1) 正交试验结果比较分析法,影响Y1试验结果的 最佳组合是A1B1C1D1E1F1,该值为18.32 μs,在经过观察 和比较该试验数据中接近最优的值都是有E1,这说明E1 影响Y1的最佳因素。影响Y2试验结果的最佳组合是 A2B3C4D5E1F2,该值为100.98 μs 

2) 正交试验结果极差值分析法 

在正交试验中,我们可以通过极差值来对试验结果进 行分析,表5中是在MinTab建模后的极差值分析结果(库顿固态继电器kudomchina)。在极差值的分析表中,Y1IA1对应因素对应每一个影响度Y1的值和,可以用公式表现出来。

3) 正交试验结果均值法分析结果 

根据正交试验结果,用Mintab软件对试验结果进 行均值法分析,从图表可以看出每一个因素在每一个水平 上的趋势。可以看出每一个因素在每一个水平上对 Y1的影响趋势:因素E的影响趋势明显,E的值越小,Y1 的值就越好(库顿固态继电器kudomchina;因素F是值越小,Y1的值就越好。根据以上3种方法的分析结果,可以看出因素A的水平因子3优(库顿固态继电器kudomchina),它既满足了Y1比较小,也满足了Y2比较小,可 以选A3;因素BY1的影响不大,对Y2来说只是有微小波 动(库顿固态继电器kudomchina),可以选B2;因数CDY1也是影响不大,对Y2的影响 有一些波动,可以选C1C3D2D4;因素EF分别选E1 F1两个水平。 这样我们可以得出以下ABCDEF五个因素的几个水平组 : A3B2C1D2E1F1 A3B2C1D4E1F1 A3B2C3D2E1F1 A3B2C3D4E1F1 

 

为了进一步验证DOE的分析结论,用实际的产品对佳组合A3B2C1D4E1F1进行实际测试,然后对比模拟仿真的结果。由于模拟仿真采用的元器件的模型是理想状态下的模型,比如电容器件只考虑它的电容特性,不考虑它的电感特性和电阻特性(库顿固态继电器kudomchina);电阻器件只考虑它的电阻特性,不考虑它的电容特性和电感特性,所以实际测试会与模拟仿真的结果有出入。按照A3B2C1D4E1F1进行的实际测试的开通响应时间为18.80 μs,图8是是实际测试的关闭响应时间为58 μs(库顿固态继电器kudomchina),实测的固态继电器开通和关断响应时间与按照DOE正交分析优化的结果一致。 

 

结论:库顿固态继电器的产品设计过程中,影响固态继电器开通和关闭响应时间的参数较多,而且都是非线性的,如果通过模拟仿真或直接实际电路进行优化,工作量非常大而且效果不好。库顿技术团队提出用DOE正交分析的方法来优化库顿固态继电器性能参数,提高了效率和准确性,并通过模拟仿真和 实际测试对优化结果进行了验证,证实了DOE在固态继电 器优化设计中准确性和实用性,为该类产品的设计提供了 一种新的优化设计思路和方法。 

 

 

库顿KYRT系列的三相调压模块针对阻性负载设计。可自适应45-60Hz的负载端频率变化。该模块输出控制方式移相调压,输入控制方式有0-5VDC0-10VDC4-20mA控制。模块提供负载接线方式设定以适应不同接线。负载输出电流为25A40A60A80A ● SCR输出用于重型工业负荷多种控制输入方式内置RC保护 MOV保护负载输入缺相保护高脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度设计 专用于阻性负载,如三相加热等。 

 

 

库顿具有丰富的产品线和解决方案

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