Fiabilité des SSR : du MTBF théorique à la performance terrain

Les relais statiques (Solid State Relays – SSR) sont réputés pour leur grande fiabilité et leur longue durée de vie opérationnelle par rapport aux relais électromécaniques (ElectroMechanical Relays – EMR). Cependant, comme tous les dispositifs électroniques, ils peuvent tomber en panne. Comprendre le Mean Time Before Failure (MTBF) est essentiel pour les ingénieurs systèmes afin de prédire la fiabilité, planifier la maintenance et garantir la disponibilité globale des installations.
Cet article propose une analyse détaillée du MTBF appliqué aux SSR, en examinant les principaux mécanismes de défaillance, les facteurs clés d’influence tels que les contraintes thermiques et électriques, ainsi que des méthodes pratiques pour interpréter et améliorer les données de fiabilité.

Définition du MTBF pour les composants non réparables

Le Mean Time Before Failure (MTBF) est un indicateur fondamental de fiabilité qui représente la durée moyenne estimée pendant laquelle un dispositif ou un système fonctionne avant qu’une défaillance ne survienne.

Une distinction importante doit être faite pour les relais statiques. Les SSR sont généralement des composants intégrés et scellés. Lorsqu’ils tombent en panne, ils ne peuvent pas être réparés et doivent être remplacés. Le terme techniquement correct est donc Mean Time To Failure (MTTF). Toutefois, dans la pratique industrielle courante, le MTBF est fréquemment utilisé de manière interchangeable avec le MTTF pour les composants non réparables. Dans cet article, le terme MTBF est utilisé selon cette convention, en considérant qu’il représente le temps jusqu’à la première et unique défaillance du composant.

Le MTBF ne constitue pas une garantie de durée de vie pour un appareil individuel. Un produit affichant un MTBF de 1 000 000 d’heures ne fonctionnera pas nécessairement pendant 114 ans. Il s’agit d’une valeur statistique issue de tests ou de modélisations sur une grande population de produits. Cela signifie que, dans un large ensemble de relais fonctionnant dans des conditions définies, on peut s’attendre en moyenne à une défaillance pour chaque tranche cumulée de 1 000 000 d’heures de fonctionnement.

Mathématiquement, durant la période de taux de défaillance constant de la vie d’un produit, le MTBF est l’inverse du taux de défaillance ((l).

La courbe de fiabilité en « baignoire »

The failure rate of an electronic component over its entire lifecycle is often modeled by the « bathtub curve, » as shown below.

Mortalité infantile : Taux de défaillance initial élevé dû à des défauts de fabrication. Les fabricants de SSR réputés éliminent cette phase par des essais de rodage (« burn-in ») avant expédition.
Vie utile : Période caractérisée par un faible taux de défaillance quasi constant, où les pannes sont aléatoires et liées aux contraintes. Les valeurs de MTBF s’appliquent à cette phase.
Usure : Phase durant laquelle les mécanismes de défaillance s’accumulent et où le taux de défaillance augmente rapidement. Pour les SSR, cela est souvent lié à la fatigue thermique des liaisons internes ou à la dégradation de la LED de l’optocoupleur sur de très longues durées.

Fiabilité des SSR vs EMR

La conception des relais statiques (SSR) leur confère un avantage significatif en matière de fiabilité par rapport aux relais électromécaniques (EMR). L’absence de pièces mobiles élimine les modes de défaillance associés à l’usure des contacts, au piquage, à l’arc électrique et à la fatigue mécanique.

Caractéristiques Relais électromécanique (EMR) vs Relais statique (SSR) :

Facteurs clés influençant le MTBF des SSR

Bien que le MTBF théorique d’un SSR soit très élevé, sa fiabilité réelle dépend fortement de l’environnement d’exploitation. Le facteur le plus critique est la température.

Contrainte thermique : le principal facteur de dégradation

Le semi-conducteur de puissance interne (par exemple un triac) dissipe de la chaleur lorsqu’il conduit le courant de charge en raison de sa chute de tension à l’état passant (généralement 1,2 à 1,6 V). Cette chaleur doit être évacuée efficacement depuis la jonction du semi-conducteur vers l’environnement ambiant.

La relation entre température et taux de défaillance suit l’équation d’Arrhenius, qui indique que les processus physiques et chimiques menant à la défaillance s’accélèrent de façon exponentielle avec la température. Une règle empirique couramment admise en électronique est que le taux de défaillance double (et que le MTBF est divisé par deux) pour chaque augmentation de 10 °C de la température de jonction (Tj) au-delà de son point de fonctionnement nominal.

Ce graphique montre que lorsque la température de la semelle du SSR augmente, le MTBF prédit chute brutalement. Faire fonctionner un SSR à forte charge sans refroidissement adéquat peut réduire sa durée de vie de plusieurs millions d’heures à seulement quelques milliers d’heures, voire moins. Pour maintenir un MTBF élevé, les ingénieurs doivent s’assurer que la température de jonction reste inférieure à la valeur maximale admissible (généralement 125 °C ou 150 °C), en utilisant des dissipateurs thermiques appropriés et en garantissant une bonne circulation d’air.

Contraintes électriques – Surtensions transitoires

La foudre ou les surtensions inductives peuvent créer des pics de tension dépassant la capacité de blocage du relais statique, provoquant une rupture diélectrique immédiate et une panne permanente.

Contraintes électriques – Surintensités

Les courants d’appel élevés des moteurs ou des lampes à incandescence peuvent surchauffer et détruire le semi-conducteur de sortie avant que les protections thermiques n’interviennent.

Contraintes mécaniques et environnementales

Cyclage thermique : Les cycles répétés de chauffage et de refroidissement rapides provoquent une fatigue des soudures et des fils de connexion internes en raison des différences de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux.

Contraintes environnementales

Une forte humidité peut entraîner de la corrosion, tandis que les poussières conductrices peuvent provoquer des courts-circuits internes si l’encapsulation du SSR est compromise.

Modes et mécanismes de défaillance

Comprendre comment un SSR peut tomber en panne est aussi important que de connaître son MTBF. Contrairement aux EMR, qui tombent souvent en panne en position « ouverte », les SSR ont une tendance dangereuse à tomber en panne en court-circuit (ON).

Note critique de sécurité : Étant donné que le mode de défaillance le plus courant est le blocage en position ON, les systèmes doivent impérativement intégrer un dispositif de coupure mécanique indépendant (contacteur principal ou disjoncteur) afin de pouvoir couper l’alimentation de la charge en cas de défaillance conductrice du SSR.

Exemple d’application

Application de chauffage HVAC / AC-51 = 37 A sous 480 VAC triphasé / température ambiante : 40 °C

Les SSR sont montés sur une plaque en aluminium, et le dissipateur thermique est fixé sur la face opposée de cette même plaque, avec application de pâte thermique sur les deux interfaces. Une convection forcée est assurée par une source de ventilation située à 500 mm sous les SSR, l’air étant canalisé à travers un conduit de 27 × 222 mm afin de balayer toute la largeur et la hauteur des ailettes du dissipateur. Le débit d’air est d’environ 52 CFM (88 m³/h).

Les données de durée de vie existantes montrent que le nombre de cycles de fonctionnement d’un SSR est directement lié à la température maximale atteinte par l’élément de puissance. Plus le ΔT entre les thyristors et la température ambiante est élevé, plus la dégradation du dispositif est importante.

Dans ces conditions de convection forcée, avec un débit d’air de 52 CFM, un ΔT de 26 °C est observé. Le nombre de cycles du SSR est alors estimé à environ 65 millions. En tenant compte du fait que l’élévation maximale de température se produit sur une période de 10 secondes, le nombre maximal de cycles de 10 secondes par jour est de 8 640 pour un fonctionnement 24 h/24 et 7 j/7. La durée de service estimée est donc d’environ 20,6 ans.

Cette estimation suppose l’absence de facteurs externes défavorables tels que des surtensions ou surintensités répétées, des courants d’appel excessifs ou des sources de chaleur externes, qui réduiraient la durée de vie du SSR.

Conclusion

Le MTBF d’un relais statique est un indicateur statistique puissant de sa fiabilité intrinsèque. Dépourvus de pièces mobiles, les SSR offrent des MTBF théoriques de plusieurs millions d’heures, bien supérieurs à ceux des relais électromécaniques. Toutefois, l’obtention de cette fiabilité en conditions réelles dépend presque entièrement de la conception de l’application.

La gestion thermique est primordiale. Un SSR fonctionnant à basse température a de fortes chances de dépasser la durée de vie de l’équipement dans lequel il est installé. À l’inverse, un SSR soumis à des températures excessives, à des surtensions ou à des surintensités finira inévitablement par tomber en panne prématurément, indépendamment de son MTBF indiqué sur la fiche technique.

En comprenant la courbe en baignoire, en identifiant les principaux modes de défaillance et en respectant strictement les règles de déclassement et de protection, les ingénieurs peuvent exploiter pleinement le potentiel de fiabilité de la commutation à semi-conducteurs.