CN115808584A - 一种基于固态继电器的可靠性试验方法 - Google Patents

一种基于固态继电器的可靠性试验方法 Download PDF

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CN115808584A
CN115808584A CN202211492968.1A CN202211492968A CN115808584A CN 115808584 A CN115808584 A CN 115808584A CN 202211492968 A CN202211492968 A CN 202211492968A CN 115808584 A CN115808584 A CN 115808584A
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徐静
张冶
仝大永
吕宝新
国明
沈欣慰
都丽娟
陈庆芳
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Shenyang Railway Signal Co Ltd
CRSC Xian Rail Transit Industry Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种基于固态继电器的可靠性试验方法，包括以下步骤：1)确认固态继电器试验的验证目标值T，依据GJB899A‑2009序贯试验统计方案计算试验总时长T总；2)设定固态继电器试验的环境应力参数；3)根据确定的固态继电器试验的环境应力参数进行固态继电器可靠性鉴定试验剖面设计，通过试验总时长T总设计固态继电器试验方案；4)执行固态继电器试验方案过程中，根据选择的序贯试验统计方案的接收‑拒收判定标准判定固态继电器试验是否通过。本发明弥补了当前没有一般工业及民用固态继电器测试方法的空白，以固态继电器可靠度为90％时的工作时长为试验验证目标值，试验效率得到了极大的提升，节约了大量的经费、人力、物力等资源。

Description

一种基于固态继电器的可靠性试验方法
技术领域
本发明涉及一种可靠性试验方法，具体为一种基于固态继电器的可靠性试验方法。
背景技术
固态继电器是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，体积小、集成度高，目前已广泛应用于一般工业及民用设备的开关控制电路，其可靠性也越发得到使用方和生产方的重视。
针对固态继电器的可靠性试验，可参考国标、国军标和机械行业测试评价标准或规范。国标GB/T36640-2018GJB《固体继电器》、机械行业标准JB/T11050-2010《交流固态继电器》规定了固态继电器特性指标的测试方法和批次产品检验规则，但对于可靠性试验，仅规定了环境适应性试验，没有具体可靠性指标的试验方法。国军标GJB1515B-2017《固态继电器总规范》中其规定的寿命试验方法，由于军工固态继电器应用场景特殊性，试验剖面过于严苛，其方法并不适用于一般工业或民用固态继电器，也没有具体明确可靠性指标的试验方法。国军标GJB899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》，是在充分考虑使用方和生产方的基础上，制定统计试验方案，验证可靠性指标，但试验时间长，试验周期和费用消耗较大，工程应用存在一定限制，且并未明确提出对于固态继电器可靠性指标的试验方法。
对于一般工业或民用固态继电器，上述可靠性鉴定试验和验收方法很难应用，存在不同程度的限制。
发明内容
鉴于上述缺点与不足，本发明提供一种基于固态继电器的可靠性试验方法，可以解决对一般工业或民用固态继电器来说，现有试验方法消耗时间和费用成本较大，同时可靠性鉴定试验方案生产方试验通过概率低，使用方风险不明确的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种基于固态继电器的可靠性试验方法，包括以下步骤：
1)确认固态继电器试验的验证目标值T，依据GJB899A-2009序贯试验统计方案计算试验总时长T总；
2)设定固态继电器试验的环境应力参数；
3)根据确定的固态继电器试验的环境应力参数进行固态继电器可靠性鉴定试验剖面设计，通过试验总时长T总设计固态继电器试验方案；
4)执行固态继电器试验方案过程中，根据选择的序贯试验统计方案的接收-拒收判定标准判定固态继电器试验是否通过。
步骤1)具体为：以平均故障间隔时间MTBF作为固态继电器可靠性水平的评价指标，以固态继电器可靠度为90％时的工作时长T为试验验证目标值：即T＝0.1MTBF，通过国军标GJB899A-2009序贯试验统计方案计算试验总时长T总。
步骤2)中，环境应力参数由以下参数组成：输入端电压应力U、温度应力M、输出端负载电流I；
(201)输入端电压应力U包括：上限工作电压U上、下限工作电压U下、额定工作电压U额、关断电压U关；
(202)温度应力M包括：最低工作环境温度Mmin、最高工作环境温度Mmax、常温工作环境温度M0；
(203)输出端负载电流I包括：常温工作环境温度M0时的负载电流与最低工作环境温度Mmin时负载电流一致，均为I额；最高工作环境温度Mmax时，根据固态继电器负载电流曲线选择温度为Mmax负载电流Imax。
步骤3)中，对可靠性鉴定试验剖面设计具体为：
(301)前置试验：可靠性试验开始前完成运输过程中预期的振动环境试验；(302)通过前置试验的样机顺序在常温工作环境温度M0、最高工作环境温度Mmax、最低工作环境温度Mmin下分别进行接通保持、关断保持、循环保持试验，共9种状态测试，设定每台固态继电器运行的时间为t、选定验样机的总数量为n，满足公式：T总＝9×n×t；t＝t0+tmax+tmin；tmin＝tmax；
当t>480h，tmin＝tmax＝48h，
当t≤480h，t0:tmax:tmin＝8:1:1；
其中，t0为常温工作环境温度M0下试验总运行时间；
tmax为最高工作环境温度Mmax下试验总运行时间；
tmin为最低工作环境温度Mmin下试验总运行时间。
步骤(302)中，可靠性鉴定试验剖面设计的9种状态测试具体为：
(3021)常温工作环境温度M0、输出端保持额定负载电流I0下试验：
状态1：固态继电器输入端施加连续额定工作电压U额，施加连续额定工作电压U额的总运行时间为t0额，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态2：固态继电器输入端施加连续关断电压U关，施加连续关断电压U关的总运行时间为t0关，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态3：固态继电器输入端施加循环电压U0循、施加循环电压的总运行时间为t0循,开关时间比为1:9，监测固态继电器循环接通、关断状态；
U0循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为t0循上的上限工作电压U上；
固态继电器输入端施加时间为t0循下的下限工作电压U下；
固态继电器输入端施加时间为t0循额的额定工作电压U额；
满足以下公式：
t0循＝t0循上+t0循额+t0循下；
t0循上:t0循额:t0循下＝1:2:1；
常温工作环境温度M0下试验总运行时间t0＝t0额+t0关+t0循；
t0额:t0关:t0循＝1:1:3。
(3022)最高工作环境温度Mmax、输出端保持额定负载电流Imax下试验：
状态4：固态继电器输入端施加连续额定工作电压U额，施加连续额定工作电压U额的总运行时间为tmax额，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态5：固态继电器输入端施加连续关断电压U关，施加连续关断电压U关的总运行时间为tmax关，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态6：固态继电器输入端施加循环电压Umax循、施加循环电压的总运行时间为tmax循,开关时间比为1:9，监测固态继电器循环接通、关断状态；
Umax循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为tmax循上的上限工作电压U上；
固态继电器输入端施加时间为tmax循下的下限工作电压U下；
固态继电器输入端施加时间为tmax循额的额定工作电压U额；
满足以下公式：
tmax循＝tmax循上+tmax循额+tmax循下；
tmax循上:tmax循额:tmax循下＝1:2:1；
最高工作环境温度Mmax下试验总运行时间tmax＝tmax额+tmax关+tmax循；
tmax额:tmax关:tmax循＝1:1:8；
(3023)最低工作环境温度Mmin，输出端负载电流保持I0下试验：
状态7：固态继电器输入端施加连续额定工作电压U额，施加连续额定工作电压U额的总运行时间为tmin额，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态8：固态继电器输入端施加连续关断电压U关，施加连续关断电压U关的总运行时间为tmin关，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态9：固态继电器输入端施加循环电压Umin循、施加循环电压的总运行时间为tmin循,开关时间比为1:9，监测固态继电器循环接通、关断状态；
Umin循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为tmin循上的上限工作电压U上；
固态继电器输入端施加时间为tmin循下的下限工作电压U下；
固态继电器输入端施加时间为tmin循额的额定工作电压U额；
满足以下公式：
tmin循＝tmin循上+tmin循额+tmin循下；
tmin循上:tmin循额:tmin循下＝1:2:1；
最低工作环境温度Mmin下试验总运行时间tmin＝tmin额+tmin关+tmin循；
tmin额:tmin关:tmin循＝1:1:8；
步骤4)中具体为：方案执行中出现故障，不进行修复，依据GJB899A-2009选择可靠性试验的统计试验方案，执行固态继电器试验方案过程中，根据选择的序贯试验统计方案的接收-拒收判定标准判定试验是否通过。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明根据实际测试情况选取适合民用固态继电器的环境应力参数，以固态继电器可靠度为90％时的工作时长为试验验证目标值，大大减少了总试验时间，弥补了当前没有一般工业及民用固态继电器测试方法的空白。
2.本发明对固态继电器进行9种状态测试的试验方案，与传统的可靠性鉴定试验方法需要的试验相比，试验效率得到了极大的提升，节约了大量的经费、人力、物力等资源。
附图说明
图1为本发明的试验流程图；
图2为本发明的试验剖面示意图；
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。如图1～2所示，
本发明提供一种基于固态继电器的可靠性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确认固态继电器试验的验证目标值T，依据GJB899A-2009序贯试验统计方案计算试验总时长T总；
2)设定固态继电器试验的环境应力参数；
3)根据确定的固态继电器试验的环境应力参数进行固态继电器可靠性鉴定试验剖面设计，通过试验总时长T总设计固态继电器试验方案；
4)执行固态继电器试验方案过程中，根据选择的序贯试验统计方案的接收-拒收判定标准判定固态继电器试验是否通过。
步骤1)中，常用参数：可靠度和平均故障间隔时间MTBF来评价固态继电器的可靠性水平。其中，可靠度表示固态继电器在规定的时间内，规定的条件下完成规定功能的能力，不直接作为评价固态继电器可靠性水平的指标；因而一般以平均故障间隔时间MTBF作为固态继电器可靠性水平的评价指标，本实施例中，固态继电器通过前期可靠性预计得出MTBF为12000h。
固态继电器为半导体器材，其可靠度符合指数分布:
当固态继电器工作到达MTBF时间点时，仍能可靠工作的概率为：
R(MTBF)＝e-λMTBF＝e-1≈36.8％
对于一般工业或民用固态继电器此时已进入故障高发期，控制固态继电器进入故障高发期前，对其进行维修或更换，以降低质量损失，提高顾客满意度；固态继电器可靠度为90％时的工作时长T为试验验证目标，即当固态继电器工作到这个时间点后，预计有10％的产品将会发生故障。
T≈0.1MTBF＝1200h；
本实施例通过选用国军标GJB899A-2009序贯试验统计方案8计算总试验结束时间T总，计算方法具体如下：
本实施例中，选择固态继电器设计可接受的生产方风险α＝30％、使用方风险β＝30％；MTBF检验下限θ1为固态继电器MTBF最低可接受值，等于MTBF；MTBF检验上限θ0为固态继电器MTBF最高可达值，等于2倍的MTBF；鉴别比d＝θ0/θ1＝2。
当以T作为验证目标时，θ1＝1200h；θ0＝2400h；d＝2。
依据以上参数指标，根据GJB899A-2009选择序贯试验统计方案8，计算试验的总试验结束时间T总和截尾点r(故障样机达到r)后，试验结束。
计算截尾点：查表GJB899A-2009中表A.1，直到下式成立为止：
Figure BDA0003964270010000051
即
Figure BDA0003964270010000052
该点再自由度为6时出现：
Figure BDA0003964270010000053
Figure BDA0003964270010000054
因此：2r＝6，r＝3，
总试验结束时间为：
Figure BDA0003964270010000055
步骤2)中对环境应力参数设定具体由以下参数组成：输入端电压应力U、温度应力M、输出端负载电流I；
输入端电压应力U包括：上限工作电压U上、下限工作电压U下、额定工作电压U额、关断电压U关；
温度应力M包括：最低工作环境温度Mmin、最高工作环境温度Mmax、常温工作环境温度M0；
输出端负载电流I包括：常温工作环境温度M0时的负载电流与最低工作环境温度Mmin时负载电流一致，均为I额；最高工作环境温度Mmax时，根据固态继电器负载电流曲线选择温度为Mmax负载电流Imax。
本实施例中，U上＝12V、U下＝3V、U额＝5V、U关＝2V；
Mmin＝-40℃、Mmax＝80℃、M0＝25℃；
I额＝5A、Imax＝2A；
步骤3)中，对可靠性鉴定试验剖面设计具体为：
前置试验：可靠性试验开始前完成运输过程中预期的振动环境试验；模拟固态继电器短距离且路面良好情况下运输受振动的影响程度，转化为试验条件，在20Hz～60Hz的频带内选择30Hz，非共振频率对试验样机进行正弦耐振动试验，其幅值为22m/s2，时间为20min。
通过前置试验的样机顺序在常温工作环境温度M0、最高工作环境温度Mmax、最低工作环境温度Mmin下分别进行接通保持、关断保持、循环保持试验，共9种状态测试，设定每台固态继电器运行的时间为t，
满足公式：T总＝9×n×t，本实施例中选定10台样机进行试验，即n＝10，得出每台固态继电器运行时间t≈50h，本实施例中，设定每台固态继电器运行的时间t＝t0+tmax+tmin＝50h；其中t0＝40h、tmax＝5h、tmin＝5h。
常温工作环境温度25℃、输出端保持额定负载电流5A时，共3种状态测试：
状态1：固态继电器输入端施加连续额定工作电压5V，施加连续额定工作电压5V的总运行时间为8h，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态2：固态继电器输入端施加连续关断电压2V，施加连续关断电压2V的总运行时间为8h，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态3：固态继电器输入端施加循环电压U0循、施加循环电压的总运行时间为24h,开关时间比为1:9(s)，监测固态继电器循环接通、关断状态；
U0循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为6h的上限工作电压12V；
固态继电器输入端施加时间为6h的下限工作电压3V；
固态继电器输入端施加时间为12h的额定工作电压5V。
最高工作环境温度80℃、输出端保持额定负载电流2A下试验：
状态4：固态继电器输入端施加连续额定工作电压5V，施加连续额定工作电压5V的总运行时间为30min，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态5：固态继电器输入端施加连续关断电压2V，施加连续关断电压2V的总运行时间为30min，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态6：固态继电器输入端施加循环电压Umax循、施加循环电压的总运行时间为4h,开关时间比为1:9(s)，监测固态继电器循环接通、关断状态；
Umax循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为1h的上限工作电压12V；
固态继电器输入端施加时间为1h的下限工作电压3V；
固态继电器输入端施加时间为2h的额定工作电压5V；
最低工作环境温度-40℃、输出端保持额定负载电流5A下试验：
状态7：固态继电器输入端施加连续额定工作电压5V，施加连续额定工作电压5V的总运行时间为30min，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态8：固态继电器输入端施加连续关断电压2V，施加连续关断电压2V的总运行时间为30min，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态9：固态继电器输入端施加循环电压Umin循、施加循环电压的总运行时间为4h,开关时间比为1:9(s)，监测固态继电器循环接通、关断状态；
Umin循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为1h的上限工作电压12V；
固态继电器输入端施加时间为1h的下限工作电压3V；
固态继电器输入端施加时间为2h的额定工作电压5V；
步骤4)中，依据GJB899A-2009选择可靠性试验的统计试验方案8，根据选择的序贯试验统计方案8的接收-拒收判定标准判定试验是否通过；
根据GJB899A-2009中序贯试验统计方案8所对应的图A.9，制定试验接受-拒收判定标准；接收判决时间tA和拒收判决时间tR为下表系数乘以检验下限θ1(固态继电器MTBF最低可接受值，本实施例中为θ1＝T＝1200h)，t0为本方案实际总试验时间，是所有试验样机实际试验时间的总和，即：
故障数i 拒收判决时间t<sub>R</sub> 接收判决时间t<sub>A</sub> 实际总试验时间t<sub>0</sub> 判决结果
0 - 1.72 - t≥t<sub>A</sub>继续试验
1 - 3.10 - t≥t<sub>A</sub>继续试验
2 - 4.5 - t≥t<sub>A</sub>接收并停止试验
3 4.5 - - t≤t<sub>R</sub>拒收并停止试验
如试验仅选一台样机，本方案的实际试验运行时间：t0≈0.042MTBF。
对比结果：同样按照GJB899A-2009选择序贯试验统计方案8计算实际试验运行时间，具体如下：
当以MTBF作为验证目标时，θ1＝12000h；θ0＝24000h；d＝2。
依据以上参数指标，根据GJB899A-2009选择序贯试验统计方案8，计算总试验结束时间T0和截尾点r(故障样机达到r)后，试验结束。
总试验结束时间为：
Figure BDA0003964270010000071
同样根据GJB899A-2009中序贯试验统计方案8所对应的图A.9，制定试验接受-拒收判定标准(即步骤4的表格)；
如试验仅选一台样机，GJB899A-2009序贯试验统计方案8的实际试验运行时间T0＝3.8MTBF。
以上结果表明，在不考虑多样本的情况下，本发明方法试验时间为0.042MTBF，明显少于完全依据GJB899A-2009中规定的可靠性鉴定试验方案8预计的总试验时间3.8MTBF。

Claims (6)

1.一种基于固态继电器的可靠性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确认固态继电器试验的验证目标值T，依据GJB899A-2009序贯试验统计方案计算试验总时长T总；
2)设定固态继电器试验的环境应力参数；
3)根据确定的固态继电器试验的环境应力参数进行固态继电器可靠性鉴定试验剖面设计，通过试验总时长T总设计固态继电器试验方案；
4)执行固态继电器试验方案过程中，根据选择的序贯试验统计方案的接收-拒收判定标准判定固态继电器试验是否通过。
2.根据权利要求1所述的基于固态继电器的可靠性试验方法，其特征在于：步骤1)具体为：以平均故障间隔时间MTBF作为固态继电器可靠性水平的评价指标，以固态继电器可靠度为90％时的工作时长T为试验验证目标值：即T＝0.1MTBF，通过国军标GJB899A-2009序贯试验统计方案计算试验总时长T总。
3.根据权利要求1所述的基于固态继电器的可靠性试验方法，其特征在于：步骤2)中，环境应力参数由以下参数组成：输入端电压应力U、温度应力M、输出端负载电流I；
(201)输入端电压应力U包括：上限工作电压U上、下限工作电压U下、额定工作电压U额、关断电压U关；
(202)温度应力M包括：最低工作环境温度Mmin、最高工作环境温度Mmax、常温工作环境温度M0；
(203)输出端负载电流I包括：常温工作环境温度M0时的负载电流与最低工作环境温度Mmin时负载电流一致，均为I额；最高工作环境温度Mmax时，根据固态继电器负载电流曲线选择温度为Mmax负载电流Imax。
4.根据权利要求1所述的基于固态继电器的可靠性试验方法，其特征在于：步骤3)中，对可靠性鉴定试验剖面设计具体为：
(301)前置试验：可靠性试验开始前完成运输过程中预期的振动环境试验；(302)通过前置试验的样机顺序在常温工作环境温度M0、最高工作环境温度Mmax、最低工作环境温度Mmin下分别进行接通保持、关断保持、循环保持试验，共9种状态测试，设定每台固态继电器运行的时间为t、选定验样机的总数量为n，
满足公式：T总＝9×n×t；t＝t0+tmax+tmin；tmin＝tmax；
当t>480h，tmin＝tmax＝48h，
当t≤480h，t0:tmax:tmin＝8:1:1；
其中，t0为常温工作环境温度M0下试验总运行时间；
tmax为最高工作环境温度Mmax下试验总运行时间；
tmin为最低工作环境温度Mmin下试验总运行时间。
5.根据权利要求4所述的基于固态继电器的可靠性试验方法，其特征在于：步骤(302)中，可靠性鉴定试验剖面设计的9种状态测试具体为：
(3021)常温工作环境温度M0、输出端保持额定负载电流I0下试验：
状态1：固态继电器输入端施加连续额定工作电压U额，施加连续额定工作电压U额的总运行时间为t0额，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态2：固态继电器输入端施加连续关断电压U关，施加连续关断电压U关的总运行时间为t0关，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态3：固态继电器输入端施加循环电压U0循、施加循环电压的总运行时间为t0循,开关时间比为1:9，监测固态继电器循环接通、关断状态；
U0循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为t0循上的上限工作电压U上；
固态继电器输入端施加时间为t0循下的下限工作电压U下；
固态继电器输入端施加时间为t0循额的额定工作电压U额；
满足以下公式：
t0循＝t0循上+t0循额+t0循下；
t0循上:t0循额:t0循下＝1:2:1；
常温工作环境温度M0下试验总运行时间t0＝t0额+t0关+t0循；
t0额:t0关:t0循＝1:1:3。
(3022)最高工作环境温度Mmax、输出端保持额定负载电流Imax下试验：
状态4：固态继电器输入端施加连续额定工作电压U额，施加连续额定工作电压U额的总运行时间为tmax额，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态5：固态继电器输入端施加连续关断电压U关，施加连续关断电压U关的总运行时间为tmax关，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态6：固态继电器输入端施加循环电压Umax循、施加循环电压的总运行时间为tmax循,开关时间比为1:9，监测固态继电器循环接通、关断状态；
Umax循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为tmax循上的上限工作电压U上；
固态继电器输入端施加时间为tmax循下的下限工作电压U下；
固态继电器输入端施加时间为tmax循额的额定工作电压U额；
满足以下公式：
tmax循＝tmax循上+tmax循额+tmax循下；
tmax循上:tmax循额:tmax循下＝1:2:1；
最高工作环境温度Mmax下试验总运行时间tmax＝tmax额+tmax关+tmax循；
tmax额:tmax关:tmax循＝1:1:8；
(3023)最低工作环境温度Mmin，输出端负载电流保持I0下试验：
状态7：固态继电器输入端施加连续额定工作电压U额，施加连续额定工作电压U额的总运行时间为tmin额，监测固态继电器是否保持接通状态；
状态8：固态继电器输入端施加连续关断电压U关，施加连续关断电压U关的总运行时间为tmin关，监测固态继电器是否保持关断状态；
状态9：固态继电器输入端施加循环电压Umin循、施加循环电压的总运行时间为tmin循,开关时间比为1:9，监测固态继电器循环接通、关断状态；
Umin循的循环电压施加过程依次为：
固态继电器输入端施加时间为tmin循上的上限工作电压U上；
固态继电器输入端施加时间为tmin循下的下限工作电压U下；
固态继电器输入端施加时间为tmin循额的额定工作电压U额；
满足以下公式：
tmin循＝tmin循上+tmin循额+tmin循下；
tmin循上:tmin循额:tmin循下＝1:2:1；
最低工作环境温度Mmin下试验总运行时间tmin＝tmin额+tmin关+tmin循；
tmin额:tmin关:tmin循＝1:1:8。
6.根据权利要求1所述的基于固态继电器的可靠性试验方法，其特征在于：步骤4)中具体为：方案执行中出现故障，不进行修复，依据GJB899A-2009选择可靠性试验的统计试验方案，执行固态继电器试验方案过程中，根据选择的序贯试验统计方案的接收-拒收判定标准判定试验是否通过。
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