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          庫頓固態繼電器三相調壓模塊中使用DOE方法進行的汽車用固態繼電器研發

          庫頓固態繼電器三相調壓模塊中使用DOE方法進行的汽車用固態繼電器研發

          發布時間:
          2019/06/03
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          隨著汽車工業技術的發展,人們對于汽車舒適度要求 越來越高,固態繼電器 (Solid State Relay) 具有質量輕、無噪音、壽命長等優點越來越受到汽車領域的青睞。庫頓固態繼電器本著質量至上,精誠服務的理念,對固態繼電器三相調壓模塊進行高新技術賦能,為新能源汽車提供更好的服務。固態繼電器有很多性能指標,比如開通電壓、關閉電壓、輸出電流、導通壓降、靜態電流、開通和關閉響應時間等,在固態繼電器諸多性能指標中,開通和關閉的響應時間直接影響到繼電器的精度和熱功耗,該性能指標是固態繼電器的主要性能指標。在固態繼電器的電路設計中,由于影響固態繼電器該性能參數的因素比較多,設計仿真比較復雜而且成本較高,庫頓技術團隊把試驗設計方法DOE Design of Experience應用于庫頓固態繼電器的設計過程中,經過深入研究, 通過理論計算和實際驗證,提出了一種優化汽車用庫頓固態繼電器設計的新方法。 該方法采用DOE的正交試驗設計法,提出了影響固態繼電器性能兩個性能指標:開通和關閉的響應時間(庫頓固態繼電器kudomchina),并歸納出影響這兩個性能指標的6個關鍵因素,對 6個影響因素水平進行試驗優化,提升固態繼電器的這兩個 性能指標,然后調整參數水平,進行對比分析,得出影響庫頓固態繼電器該性能指標的6個因素佳值;最后通過實際的試驗對庫頓固態繼電器該性能指標影響的6個因素值進行驗證,驗證DOE方法得出的6個參數的合理性(庫頓固態繼電器kudomchina)。該方法解決了在庫頓固態繼電器設計過程中,由于影響因素過多帶來設計成本高、設計周期長的問題。 

           

          1 固態繼電器工作原理及試驗因子 

           

           

          圖為固態繼電器的原理框圖,圖中主要有4個引腳, SIG1SIG2為輸入信號,IN為電源輸入端,OUT為固態繼電器輸出端(庫頓固態繼電器kudomchina)。IC1IC2組成橋式輸入電路,U1是功率驅動模塊(庫頓固態繼電器kudomchina)。當輸入信號SIG1SIG2有壓差時 (壓差為4 V左右), 態繼電器輸出。固態繼電器開通和關閉的響應時間很大程 度上決定了固態繼電器輸出性能,尤其是在PWM (Pulse Width Model 輸出模式下。由于IC1IC2組成了橋式工作 電路,SIG1SIG2是對稱輸入信號,當SIG1為高時,SIG2 為低邊驅動,如果是輸入信號為PWM信號,那么影響開通 和關閉響應時間兩個性能指標的因素有C1、R4、C4、C5、 C2、R5。C1R4SIG1SIG2兩個信號端,輸入信號的變 化過程中的快慢取決于C1R4之間的充放電的時間;IC1 IC2橋式電路中(庫頓固態繼電器kudomchina),高頻信號對于整個橋式電路而言是斷路,信號是通過電容進行,C4C5的大小也影響固態繼電 器的兩個性能;C2R5的原理如同C1R4一樣也形成一個 RC充放電回路,充放電時間也會影響固態繼電器的兩個性 能指標。 根據前文確定固態繼電器性能指標為開通響應時間和 關閉響應時間,假設開通響應時間為RST1,關閉響應時間為 RST2,輸入信號頻率為100 Hz(庫頓固態繼電器kudomchina),占空比為50%PWM信號。 定義固態繼電器開通響應時間RST1為開通信號輸入的時間與庫頓固態繼電器開通輸出的時間差;定義庫頓固態繼電器關閉響應時間RST2為關閉信號輸入的時間與庫頓固態繼電器關閉輸出的時 間差。庫頓固態繼電器這個兩個時間RST1、RST2,這個值越小表示庫頓固態繼電器輸出響應時間越快,理想值為0s。

          2 DOE正交試驗設計 

          正交試驗設計是DOE的基本方法,它是根據均衡分布 的思想運用組合數學理論構造的一種方法,一般情況下正 交表可以寫成La (bc), 其中L是表示正交表,a表示正交試驗次數,b表示因素水平數,c表示因素數.本次固態繼電器試驗目標為優化試驗參數,考慮到可能需要多次重復試驗,試驗不能太復雜,水平數不能太高(庫頓固態繼電器kudomchina), 而另一方面希望盡快找出滿意的結果,因此,選取因數為5個水平,因素的選取是在初始最大最小值之間盡量均勻,考慮到實際元器件的值并不能完全的連續(庫頓固態繼電器kudomchina)。根據分析本試驗選擇正交為L25 (56) 的試驗,試驗次數25次,6個因素數,5個因數水平。根據DOE正交表中規則,采用6因子5水平的方式進行 正交試驗。通過Minitab軟件工具生成正交試驗表,并在最后列表增加目標響應列,然后根據Mintab軟件建模生成的實 驗表通過軟件Multisim仿真軟件進行仿真,得出Y1 (μs) Y2 (μs) 的值。

           

           

          DOE正交試驗結果分析:
          1) 正交試驗結果比較分析法,影響Y1試驗結果的 最佳組合是A1B1C1D1E1F1,該值為18.32 μs,在經過觀察 和比較該試驗數據中接近最優的值都是有E1,這說明E1 影響Y1的最佳因素。影響Y2試驗結果的最佳組合是 A2B3C4D5E1F2,該值為100.98 μs。 

          2) 正交試驗結果極差值分析法 

          在正交試驗中,我們可以通過極差值來對試驗結果進 行分析,表5中是在MinTab建模后的極差值分析結果(庫頓固態繼電器kudomchina)。在極差值的分析表中,Y1IA1對應因素對應每一個影響度Y1的值和,可以用公式表現出來。

          3) 正交試驗結果均值法分析結果 

          根據正交試驗結果,用Mintab軟件對試驗結果進 行均值法分析,從圖表可以看出每一個因素在每一個水平 上的趨勢??梢钥闯雒恳粋€因素在每一個水平上對 Y1的影響趨勢:因素E的影響趨勢明顯,E的值越小,Y1 的值就越好(庫頓固態繼電器kudomchina;因素F是值越小,Y1的值就越好。根據以上3種方法的分析結果,可以看出因素A的水平因子3優(庫頓固態繼電器kudomchina),它既滿足了Y1比較小,也滿足了Y2比較小,可 以選A3;因素BY1的影響不大,對Y2來說只是有微小波 動(庫頓固態繼電器kudomchina),可以選B2;因數CDY1也是影響不大,對Y2的影響 有一些波動,可以選C1、C3D2D4;因素EF分別選E1 F1兩個水平。 這樣我們可以得出以下ABCDEF五個因素的幾個水平組 : A3B2C1D2E1F1、 A3B2C1D4E1F1、 A3B2C3D2E1F1、 A3B2C3D4E1F1。 

           

          為了進一步驗證DOE的分析結論,用實際的產品對佳組合A3B2C1D4E1F1進行實際測試,然后對比模擬仿真的結果。由于模擬仿真采用的元器件的模型是理想狀態下的模型,比如電容器件只考慮它的電容特性,不考慮它的電感特性和電阻特性(庫頓固態繼電器kudomchina);電阻器件只考慮它的電阻特性,不考慮它的電容特性和電感特性,所以實際測試會與模擬仿真的結果有出入。按照A3B2C1D4E1F1進行的實際測試的開通響應時間為18.80 μs,圖8是是實際測試的關閉響應時間為58 μs(庫頓固態繼電器kudomchina),實測的固態繼電器開通和關斷響應時間與按照DOE正交分析優化的結果一致。 

           

          結論:庫頓固態繼電器的產品設計過程中,影響固態繼電器開通和關閉響應時間的參數較多,而且都是非線性的,如果通過模擬仿真或直接實際電路進行優化,工作量非常大而且效果不好。庫頓技術團隊提出用DOE正交分析的方法來優化庫頓固態繼電器性能參數,提高了效率和準確性,并通過模擬仿真和 實際測試對優化結果進行了驗證,證實了DOE在固態繼電 器優化設計中準確性和實用性,為該類產品的設計提供了 一種新的優化設計思路和方法。 

           

           

          庫頓KYRT系列的三相調壓模塊針對阻性負載設計??勺赃m應45-60Hz的負載端頻率變化。該模塊輸出控制方式移相調壓,輸入控制方式有0-5VDC、0-10VDC、4-20mA控制。模塊提供負載接線方式設定以適應不同接線。負載輸出電流為25A、40A、60A、80A。 ● SCR輸出用于重型工業負荷多種控制輸入方式內置RC保護 、MOV保護負載輸入缺相保護高脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度設計 專用于阻性負載,如三相加熱等。 

           

           

          庫頓具有豐富的產品線和解決方案

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