Dans les systèmes de commande électrique, les relais, en tant qu'éléments de commutation largement utilisés, affectent directement la stabilité opérationnelle de l'ensemble du dispositif grâce à leur durée de vie et à leur fiabilité. En fait, la protection des contacts des relais est plus stricte que celle des MOSFET car les relais doivent généralement gérer des courants de charge plus importants, en particulier dans les scénarios de commutation impliquant des charges inductives CC (telles que les moteurs CC, les embrayages CC et les électrovannes CC). Lorsque la charge inductive est désactivée, la force contre-électromotrice peut atteindre des centaines, voire des milliers de volts, et la surtension qui en résulte peut réduire considérablement la durée de vie des contacts électriques des relais photovoltaïques, voire provoquer des dommages complets. Même avec de faibles courants (par exemple environ 1 A), la force contre-électromotrice peut déclencher un arc, entraînant une contamination par oxyde métallique des contacts électriques des relais de panneaux solaires, augmentant la résistance de contact et provoquant finalement une défaillance des contacts.
Sous des charges CC, les opérations de commutation-à haute fréquence peuvent entraîner une corrosion électrochimique anormale. Lorsqu'une décharge d'arc électrique se produit, l'azote et l'oxygène de l'air réagissent pour générer des produits corrosifs. Ce problème est particulièrement prononcé dans les contacts électriques pour les applications de relais PV, où les systèmes photovoltaïques nécessitent généralement des mises sous et hors tension fréquentes. De plus, le transfert de matière est également une cause importante de défaillance des contacts. Lorsqu'une pièce de contact fond ou est endommagée, le matériau métallique subit un transfert directionnel, généralement concave sur la cathode et convexe sur l'anode. Au fil du temps, les contacts déséquilibrés peuvent se coller les uns aux autres, empêchant le relais de se déconnecter correctement.
Pour les contacts électriques pour relais de panneaux solaires et les contacts fixes en argent pour relais d'énergie solaire, le courant d'appel provenant de charges à courant élevé - (en particulier les charges capacitives et inductives) peut générer un arc électrique, provoquant un soudage par contact. Dans ce cas, seules deux stratégies efficaces existent : l'une consiste à utiliser des circuits de protection des contacts et l'autre consiste à sélectionner des matériaux de contact résistants au transfert de matière, tels que des contacts composites argent-oxyde d'étain, argent-tungstène ou argent-cuivre. À température et pression normales, la tension de claquage des diélectriques clés dans l’air est de 200 à 300 V. Par conséquent, l’objectif de suppression est généralement de contrôler la tension aux bornes des contacts à 200 V ou moins afin de réduire la probabilité d’arc.
Il existe trois principales solutions de circuits matures pour protéger les charges inductives CC. Le premier est un circuit RC en série côté bobine du relais, adapté aux applications où la tension de fonctionnement nominale du relais est inférieure à la tension d'alimentation. Ce circuit utilise la caractéristique selon laquelle la tension aux bornes d'un condensateur ne peut pas changer brusquement au moment de la fermeture, appliquant une tension plus élevée à la bobine pour accélérer la vitesse de fermeture. Le second est un circuit RC parallèle du côté du rivet bimétallique pour le relais de l'onduleur PV. Lors de la déconnexion, la force électromotrice auto-induite par la bobine se décharge à travers le circuit RC, prolongeant le temps de décroissance du courant et éteignant ainsi l'arc. Le troisième, et le plus courant, est le circuit à diodes parallèles, principalement utilisé pour protéger le transistor pilote. Lorsque le transistor est désactivé, la diode bloque la force électromotrice auto-induite de la bobine à 0,7 V (transistor au silicium) ou 0,2 V (transistor au germanium), évitant ainsi d'endommager le composant pilote.
Il est important de noter qu'une diode standard prolonge considérablement le temps de retour du relais, prolongeant ainsi la durée de l'arc et, à l'inverse, raccourcissant la durée de vie des contacts. Un relais avec une diode connectée à la bobine peut avoir un temps de déclenchement de 9,8 ms, alors que le temps de retour sans diode n'est que de 1,5 ms. L'utilisation d'une diode Zener en série avec une petite diode de signal - peut réduire le temps à 1,9 ms, ce qui en fait un meilleur choix. Pour les applications CC à haute tension- telles que les contacts électriques pour les relais CC solaires et les contacts fixes en argent pour les relais HVDC de stockage d'énergie photovoltaïque de nouvelle énergie, une conception appropriée du circuit de protection est particulièrement importante car les arcs CC sont plus difficiles à éteindre que les arcs CA.
Il existe deux méthodes de protection inutilisables que les électriciens doivent éviter dans les applications pratiques. La première consiste à utiliser des composants de protection incompatibles dans des scénarios de commutation CC haute fréquence-, ce qui peut entraîner une corrosion bleu-verte des contacts (générée par les oxydes d'azote dus à la décharge d'étincelles électriques). La seconde consiste à ignorer les phénomènes de transfert de matériaux et à utiliser des matériaux inadaptés aux surtensions-de courant élevées dans les contacts électriques pour interrupteurs solaires, qui peuvent facilement provoquer un soudage et une adhésion par contact.
Pour les charges inductives, bien que la manipulation soit plus difficile que pour les charges résistives, l'utilisation d'une combinaison appropriée de circuits de protection et de matériaux de contact peut améliorer considérablement les performances. La protection de la bobine du relais est presque aussi importante que la protection du contact électrique oxydé du relais solaire ; les deux doivent être considérés de manière globale. Dans l'ingénierie pratique, il est recommandé de connecter un circuit d'extinction d'arc RC-en parallèle entre les contacts du relais et de connecter simultanément une combinaison de diodes-série Zener en parallèle du côté de la bobine pour équilibrer la relation entre la vitesse d'attraction-, le temps de relâchement et la durée de vie des contacts.
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