Unterschiede zwischen Hochspannungs-Gleichstromrelais und Halbleiterrelais
| Vergleichsartikel | Hochspannungs-Gleichstromrelais | Halbleiterrelais |
| Grundprinzip | Mechanische Kontakte werden durch die von einer elektromagnetischen Spule erzeugte Magnetkraft zum Schließen/Öffnen gebracht, wodurch die Ein-/Ausschaltung des Stromkreises ermöglicht wird. | Die Ein-/Ausschaltfunktion wird vollständig durch Halbleiterbauelemente realisiert, ohne mechanische bewegliche Teile. Elektrische Signaltrennung und Leistungssteuerung erfolgen über Optokoppler, Thyristoren/MOSFETs usw. |
| Nennspannungsbereich | Typischerweise für Hochspannungs-Gleichstromanwendungen über 1000 V ausgelegt, können einige Hochspannungsmodelle auch Gleichstromsysteme im 10-kV-Bereich bedienen. | Hochspannungs-Gleichstromsysteme decken typischerweise den Spannungsbereich von 600 V bis 1500 V ab, wobei bei höheren Spannungsniveaus weniger Produkte verfügbar sind und folglich höhere Kosten anfallen. |
| Statischer Spannungsabfall | Der Kontaktwiderstand mechanischer Kontakte ist extrem niedrig (im mΩ-Bereich), was zu minimalen Leistungsverlusten und minimaler Wärmeentwicklung auch bei hohen Stromstärken führt. | Halbleiterbauelemente weisen systembedingte Spannungsabfälle im eingeschalteten Zustand auf (ca. 0,3–1 V bei Si-MOSFETs und 1–2 V bei IGBTs), was unter hohen Stromstärken zu einer signifikanten Wärmeentwicklung führt. Daher ist ein geeignetes Wärmemanagement unerlässlich. |
| Schaltgeschwindigkeit | Die mechanische Kontaktbewegung erfordert eine Zeit im Millisekundenbereich (typischerweise 5–50 ms) und weist ein Hüpfphänomen auf. | Reaktionsgeschwindigkeit im Mikrosekundenbereich, kontaktloses Prellen, ideal für Hochfrequenz-Schaltanwendungen |
| Lebensdauer | Mechanische Kontakte unterliegen Lichtbogenerosion und Verschleiß, wobei die Lebensdauer unter Lastschaltung typischerweise zwischen 10^4 und 10^6 Zyklen liegt, während die Lebensdauer im Leerlauf 10^7 Zyklen überschreiten kann. | Es wurde kein mechanischer Verschleiß beobachtet, die theoretische Lebensdauer liegt zwischen 10^8 und 10^12 Zyklen. Die Lebensdauer wird primär durch Temperatur und Überstrombelastung beeinflusst. |
| Isolationsleistung | Physikalische Isolation nach Kontaktunterbrechung, hohe Isolationsfestigkeit und nahezu kein Leckstrom im offenen Zustand | Aufgrund der Isolation durch Halbleiterübergänge oder Optokoppler entsteht im offenen Zustand ein Leckstrom im μA-Bereich, wodurch das Gerät für Sicherheitsszenarien, die eine vollständige elektrische Isolation erfordern, ungeeignet ist. |
| Überlastkapazität | Zeigt eine hohe Kurzzeit-Überlastfähigkeit und kann dem Zehnfachen des Nennstroms für mehrere Millisekunden standhalten. | Halbleiterbauelemente haben eine geringe Überlastfähigkeit und können typischerweise nur das 1,5- bis 2-fache des Nennstroms aushalten, wodurch es leicht zu Schäden kommen kann. |
| Anwendbare Szenarien | Hochspannungs-Energiespeichersysteme, Gleichstrom-Ladesäulen, Hochspannungsverteilungskreise und Hochspannungsverteilerkästen für neue Energiefahrzeuge erfordern Szenarien mit hoher Zuverlässigkeit der Isolation und hoher Stromschaltfähigkeit. | Industrielle Automatisierungssteuerung, Gleichstrom-Lastregelung mit geringer Leistung, explosionsgeschützte Umgebung, Hochfrequenz-Schaltszenarien, Szenarien mit geringen Vibrationsanforderungen |
| Kostenkontrolle | Die Kosten sind für die gleiche Spannungs- und Stromstärke moderat, während das Hochspannungs- und Hochstrommodell im Vergleich zu Halbleiterrelais mit identischen Parametern geringere Kosten aufweist. | Hochspannungs- und Hochstrommodelle verursachen höhere Kosten, und das Wärmemanagementsystem erhöht die Gesamtkosten der Lösung zusätzlich. |
In Hochspannungsanwendungen von Elektrofahrzeugen sind Hochspannungs-Gleichstromrelais derzeit die gängigste und geeignetste Option. Halbleiterrelais kommen nur in wenigen speziellen Anwendungsfällen zum Einsatz, beispielsweise in LED-Beleuchtungsgruppen an der Karosserie, in Sensorarrays mit geringem Stromverbrauch und zur geräuschlosen Steuerung von automatischen Türen und Fenstern in Niederspannungssystemen. Sie nutzen vor allem die Vorteile von Halbleiterrelais, wie etwa die Geräuscharmut, die hohe Schaltgeschwindigkeit und die lange Lebensdauer.
Das Herzstück des Antriebssystems von Elektrofahrzeugen ist die Hochstromübertragung zwischen Batterie und Motor. Im Vergleich zum 12-V-Niederspannungssystem herkömmlicher Fahrzeuge arbeitet die Hochspannungsplattform von Elektrofahrzeugen üblicherweise mit 400 V oder sogar 800 V. Der von der Batterie zum Motor und zur Steuereinheit übertragene Strom kann Dutzende bis Hunderte von Ampere erreichen. Daher müssen die strukturellen Eigenschaften von Hochspannungs-Gleichstromrelais – als wichtigste Sicherheitsaspekte – den Fahrzeugsicherheitsstandards grundsätzlich entsprechen.
Hochspannungs-Gleichstromrelais verwenden hochleitfähige Materialien und optimierte Anschlussstrukturen, um das Risiko einer Überhitzung zu minimieren. Nach dem Trennen der Kontakte gewährleisten sie eine vollständige physikalische Trennung. Die Isolationsfestigkeit liegt bei über 30 V, und der Leckstrom ist nahezu null. Dadurch wird die Gefahr von Hochspannungslecks für Fahrgäste und Niederspannungssysteme vermieden. Halbleiterrelais hingegen basieren auf der Isolation durch Halbleiterübergänge, weisen jedoch Leckströme im Mikroampere-Bereich auf und erfüllen daher nicht die Sicherheitsstandards für die vollständige Trennung des Hochspannungskreises.
Tritt im Hochspannungssystem eines Fahrzeugs ein Kurzschluss auf, kann der Momentanstrom mehr als das Zehnfache des Nennwerts erreichen. Der maximale Abschaltstrom von Hochspannungs-Gleichstromrelais liegt üblicherweise bei mehreren Tausend oder sogar Zehntausend Ampere. In Kombination mit der im keramisch abgedichteten Gehäuse integrierten Lichtbogenlöscheinrichtung (Wasserstoff/Wasserstoffgas/Magnet) kann der Hochtemperatur-Lichtbogen innerhalb von Millisekunden gelöscht und der Fehlerstrom unterbrochen werden, wodurch die Gefahr eines Kurzschlussbrandes praktisch ausgeschlossen wird.
Hochspannungs-Gleichstromrelais verwenden üblicherweise Keramiklöt- oder Epoxidharz-Vergussstrukturen. Die Durchschlagfestigkeit der Keramik erreicht 18 kV/mm, die Zugfestigkeit übersteigt 280 MPa. Sie sind beständig gegen einen breiten Temperaturbereich (-40 °C bis 125 °C), starke Vibrationen und Stöße unter anspruchsvollen Fahrzeugbedingungen. Die Schutzart kann IP67 erreichen, und die Langzeitstabilität ist deutlich höher als bei Halbleiterrelais.