高信頼性、高速スイッチング、低EMIを実現するファクトリオートメーションでのソリッドステートリレーの使用

大きな損失を生むダウンタイムを回避するため、高度な診断と予知保全は、食品、飲料生産、自動アセンブリ、その他の連続処理システム、HVAC、浄水、発電機械などの産業にわたるファクトリオートメーションでますます使用されるようになっています。スイッチング用の信頼性の高いリレーは、こうした自動化された産業プロセスにとって極めて重要です。接点の磨耗を最小限に抑え、厳しい条件下で連続的に作動し、迅速に切り替えできなければなりません。また、ワイヤレスセンサや制御機器に影響を与える電磁干渉（EMI）を引き起こさないようにしなければなりません。

ソリッドステートリレー（SSR）は、過酷な環境でも安定した性能を発揮できるように信頼性と耐久性を高める革新的な技術を使用して、ファクトリオートメーションのスイッチング要求に応えます。

この記事では、ファクトリオートメーションにおけるスイッチング要件について簡単に説明します。次に、LittelfuseのSSR の例を紹介し、これらの要件に対応するために SSR をどのように使用できるかを説明します。

ファクトリオートメーションのスイッチング要件を定義し、満たす方法

ファクトリオートメーションにおけるスイッチングに対する要求は、低コストでの信頼性、接点バウンスやアーク放電のない高速作動時間、近接の回路や工場で使用されることが多くなったワイヤレスセンサやネットワークに影響を与える可能性のあるEMIの最小化、機械的衝撃や振動に対する高い耐性などがあります。

SSRでは、これらの要件を満たすために、スイッチング動作を行う半導体デバイスを使用しています。ACまたはDC電圧で作動させることができ、それぞれのタイプの励起に対して異なるモデルがあります（図1）。

図1：これらのSSRの機能ブロック図は、DC作動モデル（上）とAC作動モデル（下）の両方の重要なコンポーネントを示しています。（画像提供：Littelfuse Inc.）

直流作動型SSR（上）は、印加電圧を制御します。AC作動型SSR（下）は、全波ブリッジ整流器を利用して励起信号をDCに変換します。どちらのタイプのSSRも、作動信号と出力を光学的に絶縁しています。これらのSSRの能動素子は、一対のシリコン制御整流子（SCR：別名サイリスタ）です。これらのSSRには、SCRのゲート間に接続された過渡電圧サプレッサ（TVS）ダイオードの形で過電圧保護が含まれ、SSRを保護し、ネットワーク上で電気的過渡現象が生じた場合の異常な状態変化を防止します。

スイッチング応答は、半導体デバイスの高速スイッチング時間を利用し、トリガ回路によって制御されます。スイッチングは、作動信号印加後の出力電圧のゼロクロス時、または作動信号によるランダム（瞬間的）なものとすることができます（図2）。

図2：スイッチング特性は、SSRの用途に合わせて選択されます。（画像提供：Littelfuse Inc.）

ゼロクロスターンオンは、突入電流を最小限に抑えることができるため、産業用ヒータのような大電流のアプリケーションに使用されます。瞬時のターンオンは、スイッチングを高い周波数で行わなければならない場合に使用されます。瞬時のスイッチングにより、非常に高いスイッチング周波数が得られます。

SSRの例

産業用および民生用機械アプリケーションにおいて、より信頼性が高く長寿命のパワースイッチングリレーの大きな需要に応えるため、Littelfuseは高耐久性SSRのSRP1ファミリを設計しました。SRP1-CB高耐久性SSR（保護カバーなし）と、SRP1-CR高耐久性過電圧保護機能付きオールインワンSSR（保護カバー付き）の2つのモデルがあります（図3、左と中）。

図3：SRP1-CB SSR（保護カバーなし）（左）、SRP1-CR SSR（保護カバー付き）（中央）、SRP1-CB...Fのクイックコネクト端子（右）。（画像提供：Littelfuse Inc.）

Littelfuseは、熱によるコンポーネントの劣化を最小限に抑え、過酷な条件下でも最適な性能を発揮できるよう、独自の半導体を設計しました。どちらのモデル製品も、ACまたはDC作動、定格出力電流10A、25A、50Aのユニットを、24V_AC～240V_ACまたは48V_AC～600V_ACの2つの出力電圧範囲のいずれかで提供します。SRP1-CRは、IP20の接触防止カバー、TVSダイオードの過電圧保護、サーマルパッドの取り付けなど、保護機能と取り付け機能が統合されています。SRP1-CB...Fバージョン（図3、右）もクイックコネクト端子を備えています。

リレーは、出力負荷と直列に接続された単極単投（SPST）デバイスです（図4）。

図4：SRP1 SSRは出力負荷と直列に接続されます。入力はモデルによってACまたはDCの作動信号で駆動されます。（画像提供：Littelfuse Inc.）

SSRは指定された定格で動作するためには、ヒートシンクが必要になります。Littelfuseの両モデルは最新のダイレクトボンディング技術を採用しており、最大限の信頼性と製品寿命を保証します。SRP1-CRリレーには、サーマルコンパウンドを必要としない効率的な放熱のためのサーマルパッドが内蔵されており、クリーンで簡単な取り付けが可能です。熱ディレーティング曲線（図5）は、さまざまな周囲温度とさまざまな熱抵抗のヒートシンクに対応できる最大出力電流を示しています。

図5：さまざまな周囲温度とヒートシンクに対するSRP1-CRシリーズSSRのディレーティング曲線を示します。（画像提供：Littelfuse Inc.）

熱抵抗は°C/ワット（°C/W）で規定されています。定格10°C/Wのヒートシンクは、1Wの熱を放散するごとに周囲の空気より10℃熱くなります。熱抵抗の低いヒートシンクは、熱抵抗の高いヒートシンクよりも効率的であり、したがってよく冷却できます。

SRP1 SSRは、UL、CAN/CSA、IEC、CISPR、RoHS、REACHなど、さまざまな健康、安全、環境、電磁両立性、静電気イミュニティ規格に準拠していることが認証されています。産業用オートメーションにおける加熱やモーションコントロールの用途に適しています。また、食品、飲料業界では、産業用オーブン、梱包機器、コンベヤシステムの制御にも威力を発揮します。暖房、換気、空調システムでは、エアハンドラーやコンプレッサにこのリレーが使用され、大規模な照明システムにも使用されています。このようなアプリケーションでは、優れた性能と超高信頼性が求められますが、SRP1シリーズには、さまざまな電流、電圧、応答時間、スイッチング要件に対応するオプションが用意されています。

たとえば、SRP1-CBAZL-050NW-Nは、定格50Aで、出力は24V_AC～240V_ACのSSRです。入力電圧は90V_AC～280V_ACで、出力電圧のゼロクロスで切り替わります。最大オン抵抗は6.3ミリオーム（mΩ）であるため、最大電流時のリレー全体の電圧降下はわずか0.3Vです。定格最大電圧降下は1.3Vです。リレーはゼロクロスの待機時間を含めて20ミリ秒（ms）未満でオンになり、30ms未満でオフになります。

SRP1-CBDZL-010NF-Nは、DC作動型SSRの一例です。定格出力電流は10A、出力電圧範囲は24V_AC～240V_ACです。入力電圧範囲は4V_DC～32V_DCです。また、出力電圧のゼロクロスでスイッチングし、最大オン抵抗は6.3mΩと同じです。標準のSRP1-CBリレーとは異なり、クイックコネクト端子を備えています。そのターンオン時間は、出力波形の2分の1周期に等しくなります。

SRP1-CLRH-025TC-Nは、SRP1シリーズの接触保護対応バージョンで、定格出力電流は25Aです。このモデルは90V_AC～280V_ACの入力電圧で作動します。他のモデルとの違いは、瞬時のスイッチング応答と、48V_AC～600V_ACの高出力電圧範囲を使用している点です。リレーのターンオン時間は20ミリ秒（ms）未満、ターンオフ時間は30ms未満です。

最速の応答時間は、DC入力と瞬時スイッチング応答を持つリレーを使用することで達成できます。その一例がSRP1-CRDRL-010TC-Nです。このSSRの定格出力電流は10Aで、出力電圧範囲は24V_AC～240V_ACです。入力電圧範囲は4V_DC～32V_DCです。ターンオン時間は20マイクロ秒（μs）、ターンオフ時間は出力波形のサイクルの2分の1以下であり、リレーのサイクルタイムとしては最速の部類に入ります。

まとめ

ファクトリオートメーションのスイッチング性能、信頼性、国際規格の要件を満たすために、設計者はSSRのSRP1シリーズを使用することができます。このシリーズは、半導体技術の進歩により、幅広い出力電流と入力制御オプションにおいて、長寿命、高速スイッチング、最小EMIを実現しています。