FET

МЭМС-реле: теперь и в силовых устройствах

В обзоре говорится о МЭМС-реле со встроенными FET (Field-Effect Transistor), которые могут использоваться в силовых устройствах, опровергая традиционное утверждение о применении МЭМС-компонентов исключительно в маломощной электронике. Автор статьи представляет детальный обзор технологий, позволяющих реализовать это решение на практике.
1242
В избранное

В данном обзоре говорится о МЭМС-реле со встроенными FET (Field-Effect Transistor), которые могут использоваться в силовых устройствах, опровергая традиционное утверждение о применении МЭМС-компонентов исключительно в маломощной электронике. Автор статьи представляет детальный обзор технологий, позволяющих реализовать это решение на практике.

На конференции АТЭС-2019 компания Menlo Micro продемонстрировала новые силовые реле на базе микроэлектромеханических систем (МЭМС). Menlo Micro, дочерняя компания General Electric, занимается разработкой надежной и безопасной технологии переключения питания для МРТ и другого медицинского оборудования. Впервые компания применила МЭМС-технологию по лицензии GE для разработки радиочастотных и других устройств с малым энергопотреблением. В настоящее время разработано реле, способное выдерживать напряжение 150 В и 3 А (рис. 1). MM1200-6 - это МЭМС-реле, которое, как утверждает Menlo Micro, может выдержать три миллиарда рабочих циклов при 85°C. Управление шестью коммутаторами осуществляется по SPI-шине (последовательному периферийному интерфейсу). Любой из шести переключателей может выдержать нагрузку до 1 А, но общее ограничение по току для данного устройства составляет 3 А.

МЭМС-реле MM1200 от Menlo Micro намного меньше, чем обычные реле

Рис. 1. MEMS-реле MM1200 производства Menlo Micro в сравнении с реле стандартного размера

Данное реле оснащено FET, расположенными параллельно контактам МЭМС. FET могут устранить искрение контактов, так как управляющая электроника выключает эти транзисторы после размыкания контактов и включает перед замыканием, что обеспечивает быстрое включение за 10 мкс, повышая КПД реле по сравнению с обычным MEMS-переключателем.

Параллельное включение FET

В техническом паспорте Menlo Micro нет четких данных о параллельном включении FET, но мы можем косвенно сделать вывод об этом. Во-первых, указано, что: "Номинальное напряжение переменного или постоянного тока составляет +150 В". Обозначение переменного тока указывает на то, что это биполярное устройство, где "+" свидетельствует о том, что оно может работать только с положительным напряжением. Для управления переменным током обычно используются два встречно включенных компонента, так же как и в твердотельных реле (SSR), где используются два встречно включенных FET. Кроме того, по спецификации при приложении к контактам напряжения 150 В ток утечки равен 19 пA, что соответствует FET. Информации об утечке при повышенной температуре не представлено.

Использование FET для распараллеливания контактов реле является весьма эффективным решением и может извлечь все преимущества из обоих направлений, но также может привести к возникновению эффекта Миллера и к другим неприятным последствиям, например, к вводу заряда затвора FET в источник. Вы должны заранее удостовериться, что в вашей конфигурации не возникнет подобных проблем. Реле имеют температурные ограничения и поставляются в версиях для работы при температурах до 85°C и до 100°C. Обратите внимание, что 27 контактов в 49-контактном корпусе BGA предназначены для заземления, и благодаря этому вы сможете отводить тепло от детали. Сопротивление на входе составляет 500 мОм, поэтому ток в 1 A будет генерировать 500 мВт избыточного тепла. Следует всегда помнить о гибридной природе данного устройства, и тогда вы можете быть уверены, что не оставите без внимания множество важных деталей при проектировании.

Одним из преимуществ устройства является то, что реле срабатывает под действием электростатики, что делает его гораздо более устойчивым к паразитным магнитным полям - они могут быть достаточно сильными, чтобы включить обычное реле. Поскольку контакты активируются электростатикой, необходимо подавать напряжение смещения 75 В, а также питание 5 В для логики. При напряжении смещения 75 В ток потребления контакта составляет всего 100 мкА.

Обратите внимание на шум

В дополнение к влиянию инжекции заряда от открытия и закрытия FET, необходимо учитывать, что электростатические затворы расположены в непосредственной близости от контактов (рис. 2). Это означает, что любой шум от источника напряжения смещения 75 В может проникнуть в сигнальный тракт. Для большинства приложений это не проблема, но, тем не менее, такой шум необходимо учитывать.

Замыкание контактов в МЭМС-реле осуществляется по команде, получаемой по SPI

Рис. 2. Контакты внутри реле Menlo Micro замыкаются командой по SPI, которая подает напряжение 75 В на вход конструкции

Я спросил Криса Джованниелло, вице-президента компании Menlo Micro по разработке, помогла ли герметичность МЭМС-устройства достичь необходимых габаритов и уровня утечки, на что он ответил: "Да, крайне важно то, что данное устройство герметично. Благодаря этому мы можем работать с относительно высоким напряжением 200 или 400 В при очень малом воздушном зазоре без искрения".

Когда я спросил о цене, он ответил, что поскольку объемы заказов достигают миллионов штук, он рассчитывает предложить клиентам продукцию по цене менее доллара за канал, то есть $ 6 для данной партии. Инженерные образцы уже доступны и производство готовится к запуску в первом квартале 2020 года; для постоянных покупателей будут доступны фиксированные расценки.

Закон Пашена

Чтобы обеспечить возможность работы с электростатикой, необходимо, чтобы контакты были расположены как можно ближе друг к другу. Для реле, рассчитанного на напряжение 150 В, это может быть проблематично. Джованниелло сослался на закон Пашена, устанавливающий соотношение расстояния между контактами и напряжения пробоя (рис. 3). Он отметил, что глядя на диаграмму, "можно получить некоторые представления о физике, лежащей в основе того, что мы делаем. Это противоречит интуиции, но иногда малые воздушные зазоры могут обеспечить более высокое напряжение без искрения."

Согласно Закону Пашена напряжение пробоя будет увеличиваться, если расстояние между двумя контактами станет меньше определенного значения

Рис. 3. Закон Пашена показывает, что напряжение пробоя между двумя контактами будет возрастать, когда они сблизятся

На диаграмме показана зависимость напряжения пробоя от давления и величины воздушного зазора. Слишком маленькие зазоры, необходимые для осуществления электростатического привода, фактически повышают напряжение пробоя изделия. Также вполне вероятно, что Menlo Micro сможет подобрать давление или заполняющий газ для достижения оптимального напряжения пробоя.

Компания не является новичком в области МЭМС-переключателей (рис. 4). Она предлагает эффективные РЧ-коммутаторы, которые были созданы на основе технологий GE и Corning Glass, доставшихся ей в наследство при выходе из GE. Menlo использует запатентованные сплавы металлов, которые покрыты стеклянными пластинами. Пластины, поставляемые компанией Corning, имеют сквозные отверстия (TGV), которые способствуют повышению эффективности МЭМС.

 Компания Menlo Micro впервые использовала технологию МЭМС-реле в маломощных ВЧ-коммутаторах

Рис. 4. Menlo Micro усовершенствовала свою технологию МЭМС, впервые изготовив РЧ-коммутаторы

Джованниелло поясняет: "Большая часть инноваций Menlo касалась передовых материалов и процессов изготовления высоконадежных контактных коммутаторов. В частности, изготовленные на заказ сплавы, обладающие высокой механической прочностью и долговечностью, а также высокой проводимостью, обеспечивают низкие потери. Мы также изготавливаем такие переключатели на кремнии или стекле, которые показывают сверхвысокую эффективность с точки зрения изоляции и радиочастотных характеристик. Это уникальная область, так как на стекле существует не так много МЭМС технологий обработки".

Отметим, что в сфере высокомощных МЭМС-коммутаторов проводится большое количество исследований и разработок. Некоторые исследователи изучают магнитное воздействие, при котором можно получить гораздо большее усилие на контактах при меньшем значении приложенного напряжения. В других исследованиях утверждается, что достигнута критическая отметка напряжения пробоя в 1000 В, когда на каждый коммутатор приходится почти один ампер тока. Если такое устройство смогут запустить в производство, оно будет представлять собой двухполюсное реле с гальванической развязкой между контактами привода.

MEMS РЧ-переключатели

Большинство MEMS-коммутаторов предназначено для радиочастотных устройств, в которых не требуется большой ток (рис. 5). Компания Analog Devices предлагает широкий ассортимент МЭМС-переключателей, чему, несомненно, способствуют их новаторские исследования в области МЭМС-акселерометров. Analog Devices предоставляет расширенное описание коммутационных технологий на своем сайте.

Analog Devices предлагает широкий выбор МЭМС-переключателей для радиочастотных приложений

Рис. 5. Соединительный шлейф справа вверху дает представление о малом размере МЭМС переключателей производства Analog Devices

Даже если в своем проекте вы не можете использовать МЭМС-устройство, не забывайте, что можно использовать прием Menlo Micro и коммутировать обычное реле с FET, транзистором или симистором. Вы получите тот же результат - отсутствие искрения, так как активное устройство будет способно выдержать достаточную нагрузку при размыкании контактов. Можно также добиться приближения режима работы реле к режиму холостого хода и увеличить срок службы контактов, включая активное устройство перед их замыканием, чтобы они не пропускали ток при дребезге.

Если вам требуется длительный срок службы, не стоит забывать про герконовые реле. Разработанные для телефонной отрасли несколько десятилетий назад, они могут обеспечить очень долгий срок службы и ту же герметичность, что и МЭМС-реле. Обратившись к большому количеству известных производителей, можно найти компоненты, которые подойдут именно вам. Я стал поклонником герметичных реле после того как обычное загорелось в моем электрическом чайнике (рис. 6).

Сгоревшее реле чайника Cuisinart

Рис. 6. Это реле сгорело внутри чайника Cuisinart. Верхняя часть была снята для обзора внутренних обширных повреждений. Негерметичные реле могут быть источником проблем во влажной среде

Источник: https://www.electronicdesign.com

Производитель: Menlo Micro Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MM3100-00
MM3100-00
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210512 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+85°C.
MM3100-00
-
Поиск
предложений
MM3100-0Y
MM3100-0Y
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210513 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+100°C.
MM3100-0Y
-
Поиск
предложений
MM1200-00-E
MM1200-00-E
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3490328 ИНФО
Поиск
предложений
МЭМС-реле объединяет 6 силовых ключей, управляемых по SPI. Любой из шести ключей может коммутировать ток до 1 А, но из-за ограничений корпуса суммарный ток всех каналов не должен превышать 3 А.
MM1200-00-E
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()