隨著電子控制滲透到消費(fèi)類、商業(yè)、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中，人們對利用低電壓或低電流電路切換高電壓或高電流電路的需求日益增加。雖然機(jī)電繼電器 (EMR) 占有一席之地，但固態(tài)繼電器 (SSR) 通常更受人們的青睞，因?yàn)樗叽缧 ⒊杀镜汀⑺俣瓤臁㈦姎夂涂陕勗肼暤汀⒖煽啃愿摺?/p>
雖然 SSR 可能很受歡迎，但要正確應(yīng)用 SSR，設(shè)計(jì)人員必須了解其物理和電氣操作與特性的細(xì)節(jié)。然后，設(shè)計(jì)人員須精心選擇合適的 SSR，以與應(yīng)用的輸入、輸出、負(fù)載和散熱情況匹配，確保設(shè)計(jì)成功。
本文將討論 SSR 的細(xì)節(jié)以及如何正確應(yīng)用 SSR，并介紹一些最新的 SSR 解決方案，以解決切換較高電壓和電流的問題。
SSR 基礎(chǔ)知識
不同制造商或供應(yīng)商給 SSR 取了很多其他名稱。例如，Omron 稱其為 MOS FET 繼電器，而 Toshiba 稱其為光繼電器（表 1）。
| 制造商目錄中的名稱Toshiba光繼電器Matsushita Electric Works光 MOS 繼電器OKI Electric IndustryMOSFET 繼電器OKI Electric Industry光 MOS 開關(guān)Okita Works光 DMOS-FET 繼電器HP固態(tài)繼電器OMRonMOS FET 繼電器 |
表 1：雖然核心工作原理相同，但不同供應(yīng)商使用不同的名稱來指代其 SSR，有些供應(yīng)商則是為了強(qiáng)調(diào)自己獨(dú)特或?qū)Ｓ械?SSR 實(shí)現(xiàn)方案。（圖片來源：Omron Corp.）
無論使用何種名稱，SSR 的工作原理均相同，并且是眾所周知且廣泛使用的光耦合器（也稱為光隔離器）的延伸產(chǎn)品。最簡單的形式是輸入側(cè)有一個(gè) LED，輸出側(cè)有一個(gè)光電晶體管，二者由一個(gè)毫米級光路隔開（圖 1）。根據(jù)電壓和電流水平，可以用光敏 SCR 或 TRIAC 代替光電晶體管。
圖 1：光隔離器的物理布局看似簡單：LED 將電能轉(zhuǎn)換為光子，進(jìn)而激勵光電晶體管產(chǎn)生較低的 VBE 壓降；光路確保電流隔離。（圖片來源：Technogumbo）
當(dāng) LED 通電時(shí)，它產(chǎn)生的光子激勵光電晶體管，隨后光電晶體管進(jìn)入導(dǎo)通模式，允許電流流向負(fù)載。這稱為“導(dǎo)通”狀態(tài)。當(dāng) LED 熄滅時(shí)，光電晶體管斷開或不導(dǎo)通，看起來像是很好的（但不是完美的）開路。
由于 LED 與光電晶體管隔開，并有一個(gè)光學(xué)透明的絕緣柵，所以 LED 和光電晶體管之間的電流隔離通常在幾千伏范圍。請注意，隔離是電壓擊穿參數(shù)，與輸入到輸出電阻并不同，后者大約為一千到一百萬兆歐（通常不確切地稱為“無限大”電阻）。導(dǎo)通和斷開狀態(tài)之間的切換時(shí)間通常規(guī)定為幾微秒。
然而，完整的 SSR 不僅僅只有 LED 和光電晶體管（或光敏 SCR/TRIAC）。輸入 LED 側(cè)和輸出光敏側(cè)還需要其他電路和功能（圖 2）。
圖 2：完整 SSR 的輸入 LED 側(cè)和輸出光敏側(cè)需要其他電路和功能。（圖片來源：Omron Corp.）
雖然 SSR 是相對簡單的器件，但設(shè)計(jì)導(dǎo)入時(shí)需要考慮與輸入以及隔離負(fù)載的大小和類型相關(guān)的因素，使用時(shí)還要考慮一些特殊情況。
選擇 SSR 時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要知道輸入驅(qū)動電平和類型（交流或直流）以及負(fù)載特性，包括最大電流、最大電壓和類型（同樣，交流或直流）。有些 SSR 可以用幾伏到幾十伏甚至更高的電壓來驅(qū)動，不過由于安全和效率原因，較低電壓輸入越來越普遍，并且與現(xiàn)代電子器件的兼容性更好。
如果輸入驅(qū)動器為直流型，它或許可以直接驅(qū)動 SSR 輸入 LED。如果為交流型，設(shè)計(jì)人員需要在 SSR 前面添加橋式整流器。實(shí)際情況可能是廠商會提供已經(jīng)內(nèi)置橋式整流器的同類 SSR。選擇內(nèi)置整流產(chǎn)品通常是明智之舉，因?yàn)檫@樣就不必處理細(xì)微的布局問題，同時(shí)還能獲得完全符合規(guī)格的輸入/輸出性能。SSR 的典型輸入靈敏度約為 6 毫瓦 (mW)。
根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)，SSR 的輸出側(cè)可能比輸入側(cè)復(fù)雜一些。如果 SSR 的輸出只是晶體管、FET 或單個(gè) SCR，則它只能在一個(gè)方向上導(dǎo)通。因此，它只能用于直流負(fù)載，實(shí)例包括非線路供電的加熱器。對于交流負(fù)載，應(yīng)使用 TRIAC 或 SCR 對。供應(yīng)商通常會提供僅有直流輸出或有交流輸出的同類 SSR。一般而言，交流輸出 SSR 也可用于直流情況。輸出額定值范圍很寬，從幾伏或幾安到數(shù)十?dāng)?shù)百伏或數(shù)十?dāng)?shù)百安。
SSR 選項(xiàng)：NO/NC 觸頭和多極
標(biāo)準(zhǔn) SSR 使用單一常開 (NO) 輸出配置。然而，有許多應(yīng)用需要相反的常閉 (NC) 配置，當(dāng)輸入級通電時(shí)輸出級開路。此外，有些設(shè)計(jì)同時(shí)需要 NO 和 NC 操作，甚至是一個(gè) NO、一個(gè) NC 和幾個(gè)其他接觸極的組合。
為了滿足對多極以及 NO 和 NC 觸頭的需求，用戶可以添加定制的輸出電路，但這種方法至少存在四個(gè)問題。首先，它常常涉及高電壓和/或高電流情況，因此該設(shè)計(jì)具有許多固有的挑戰(zhàn)。其次，它需要滿足各種監(jiān)管安全標(biāo)準(zhǔn)并獲得認(rèn)可。第三，對項(xiàng)目來說又多了一件事。第四，驗(yàn)證由此獲得的性能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。
或者，用戶可以通過一個(gè)小電路反轉(zhuǎn)輸入信號，使 NO SSR 在沒有信號的情況下閉合，在施加輸入信號時(shí)斷開。然而，當(dāng)輸入側(cè)電源發(fā)生故障時(shí)，這可能帶來與 SSR 的輸出狀態(tài)相關(guān)的安全問題，因?yàn)槔^電器輸出會恢復(fù)到其“本來”的 NO 狀態(tài)。回想一下，根據(jù)隔離的定義，SSR 的輸入電源和輸出電源是獨(dú)立的。因此，設(shè)計(jì)人員可能無法保證已知的故障安全輸出模式。
當(dāng)需要多個(gè)單極時(shí)，可以串聯(lián)或并聯(lián)驅(qū)動多個(gè) SSR。這是一種可行的解決方案，但需要仔細(xì)考慮所需的驅(qū)動電流和電壓，以及串聯(lián)或并聯(lián)拓?fù)渲械钠骷l(fā)生故障的后果。使用多個(gè) SSR 還會增加 BOM，并占用更多的電路板空間。
認(rèn)識到這些 NO/NC 和多極需求，供應(yīng)商已在 SSR 內(nèi)部增加了額外的電路以提供不同的輸出配置，并進(jìn)行了全面測試和認(rèn)證。許多此類 SSR 都是系列產(chǎn)品，規(guī)格相似，不過輸出配置的細(xì)節(jié)不同，以便簡化選擇和使用。
例如，IXYS Integrated Circuits Division 提供三款 SSR，這些 SSR 的性能幾乎相同，且都具有 3,750 VRMS 輸入/輸出隔離，但輸出結(jié)構(gòu)有所不同：
? LAA110 包含兩個(gè)單極 NO (1-Form A) 繼電器，每個(gè)繼電器的額定值都是 350 V/120 mA（交流或直流），提供 8 引腳 DIP、SMT 和扁平封裝（圖 3）。
圖 3：IXYS 的 LAA110 是一款基本型雙通道 SSR，具有兩個(gè)獨(dú)立輸入和相應(yīng)的 NO 輸出。（圖片來源：IXYS）
? LCC110 有一個(gè) NO/NC 觸頭對 (1-Form-C)，由單一輸入驅(qū)動，額定值和封裝與 LAA110 相同（圖 4）。
圖 4：IXYS 的 LCC110 是一款基本型雙通道 SSR，單個(gè)輸入控制一個(gè) NO 和一個(gè) NC 輸出極。（圖片來源：IXYS）
? LBA110 包含兩個(gè)獨(dú)立的繼電器：一個(gè)單極常開 (1-Form-A) 繼電器和一個(gè)單極常閉 (1-Form-B) 繼電器，整體額定值和封裝選項(xiàng)同樣與上述器件相同（圖 5）。
圖 5：該系列的另一個(gè)成員是 IXYS LBA110，這是一款雙通道 SSR，每個(gè) NO 和 NC 輸出極都有獨(dú)立的輸入。（圖片來源：IXYS）
大多數(shù)功率較高的 SSR 系列都具有一組類似的選項(xiàng)。如果單個(gè)較低電流 SSR 的電流額定值不夠，您可能希望簡單地并聯(lián)多個(gè) SSR 輸出，以實(shí)現(xiàn)所需的額定值。但一般來說，由于以下幾個(gè)原因，這并不是好的工程實(shí)踐。
第一，即使標(biāo)稱額定值相同的 SSR 也并非完全匹配。因此，一個(gè) SSR 處理的電流可能比另一個(gè)多，超出自身的電流和熱限值，導(dǎo)致過早失效。第二，如果多個(gè) SSR 中的一個(gè)由于某種原因而失效，其他 SSR 將承載過大電流，并且很快按級聯(lián)順序失效。由于這些原因，最好選擇單個(gè)具有適當(dāng)輸出額定值的 SSR。
SSR 保護(hù)和限制
盡管 SSR 相當(dāng)堅(jiān)固耐用，但有些情況下也需要一些額外的保護(hù)。對于切換阻性（非感性）交流負(fù)載（例如白熾燈泡的加熱器）的 SSR，可能需要指定一個(gè)同步 SSR，其僅在交流線路過零處開啟/關(guān)閉輸出，而不管輸入控制信號時(shí)序如何（圖 6）。
圖 6：同步 SSR 設(shè)計(jì)為僅在交流線路過零處切換輸出，以盡量減少 EMI 的產(chǎn)生：a) 阻性負(fù)載的非同步 SSR 波形；b) 阻性負(fù)載的同步 SSR 波形。（圖片來源：Crydom，通過 Omega Engineering）
僅在過零處切換會極大地減少或消除在周期中間啟動或終止交流輸出波形而產(chǎn)生的線路和輻射噪聲。但設(shè)計(jì)人員需注意，如果是高感性負(fù)載，過零 SSR 可能無法斷開。為了解決這個(gè)問題，SSR 供應(yīng)商還提供所謂的隨機(jī)切換 SSR，它會在輸入轉(zhuǎn)換所要求的時(shí)刻導(dǎo)通或斷開。同樣，設(shè)計(jì)人員必須了解負(fù)載，并從供應(yīng)商目錄中選擇適當(dāng)?shù)?SSR。
使用 SSR 時(shí)，還要考慮內(nèi)部損耗引起的熱效應(yīng)。即使輸出開啟，有源元件上也會存在很小但很關(guān)鍵的壓降，就像驅(qū)動電機(jī)的 MOSFET 一樣。產(chǎn)生的熱量必須由 SSR 消散。因此，供應(yīng)商所提供 SSR 的規(guī)格會規(guī)定最大負(fù)載下允許的工作溫度，以及熱降額曲線。SSR 的熱環(huán)境可以使用標(biāo)準(zhǔn)工具建模。較大 SSR 產(chǎn)生的熱量較高，可能需要更復(fù)雜的散熱安排，而較小 SSR 通常可以使用標(biāo)準(zhǔn) IC 散熱器。
對于具有較高散熱要求的較大負(fù)載，SSR 的物理配置也越來越大。SSR 的封裝形式多種多樣，既有用于較小負(fù)載的 6 引線 SOIC，也有用于較大負(fù)載的大型模塊，還有面板安裝式、導(dǎo)軌安裝式或獨(dú)立式封裝。
例如，Vishay LH1510 SSR 是一款 SPST-NO (1-Form-A) 器件，額定工作條件為 200 V 和 200 mA，采用標(biāo)準(zhǔn) 6 引線 SMT 或 DIP 封裝（圖 7）。它可以用于交流或直流負(fù)載（圖 8）。盡管尺寸較小，但此 SSR 提供 5300 VRMS 連續(xù)和 8000 VRMS 瞬態(tài)峰值隔離額定值。
圖 7：低功耗 Vishay LH1510 SSR 是一款 SPST-NO 器件，額定工作條件為 200 V 和 200 mA，采用 6 引線表面貼裝封裝和 DIP 外殼。（圖片來源：Vishay Semiconductors）
圖 8：由于可用封裝引線的數(shù)量，LH1510 可配置為支持交流/直流輸出或僅直流輸出要求，但各種模式的規(guī)格略有不同。（圖片來源：Vishay Semiconductors）
相比之下，Crydom/Sensata Technologies 的 EL240A 系列交流輸出面板安裝式 SSR 支持 24 至 280 V AC 和 5 A、10 A、20 A、30 A 的輸出額定值，控制輸入有 5、12、24 V DC 可選。對于這樣的功率，SSR 采用尺寸為 36.6 × 21.1 × 14.3 毫米 (mm) 的較大模塊，并帶有快速連接端子（圖 9）。請注意，整體物理尺寸并不反映隔離性能，這個(gè)較大模塊具有 3,750 VRMS 的隔離額定值，略低于尺寸小得多的 6 引腳 Vishay 封裝。
圖 9：Crydom/Sensata Technologies 的 EL240A 系列 SSR 支持高達(dá) 30 A 的電流和高達(dá) 24 V DC 的控制輸入。（圖片來源：Crydom/Sensata Technologies）
EL240A 系列的負(fù)載可以連接到任一輸出支路，這為設(shè)計(jì)提供了靈活性（圖 10）。這些模塊的尺寸較大，允許供應(yīng)商添加 LED 指示燈（圖 10 也有顯示），以便快速直觀地評估 SSR 輸入狀態(tài)。
圖 10：負(fù)載可以連接到 EL240A 系列的任一輸出支路，從而提供更大的設(shè)計(jì)靈活性。（圖片來源：Crydom/Sensata Technologies）
SSR 外部也要注意
與大多數(shù)功率相關(guān)器件一樣，除了外部最大功率、電壓、電流和散熱之外，還有其他問題。SSR 的物理布線、母線或印刷電路板走線的尺寸也必須適當(dāng)，以便能夠承受負(fù)載電流，而不產(chǎn)生過多的 IR 壓降。同樣，到 SSR 的連接，無論是通過分立電線、插座還是通過印刷電路板焊接，都必須具有足夠的尺寸和額定值。
即使在低電流水平下，SSR 也可能會切換較高電壓。在這種情況下，須關(guān)注用戶安全，包括相應(yīng)電壓下規(guī)定的最小間隙和爬電距離（圖 11）。此類要求由 IEC/UL 60950-1、IEC 60601-1、EN 60664-1:2007 和 VDE 0110-1 等許多標(biāo)準(zhǔn)界定。
圖 11：間隙（上方）是通過空氣測量的兩個(gè)導(dǎo)電部件之間或一個(gè)導(dǎo)電部件與設(shè)備邊界表面之間的最短路徑。爬電距離（下方）是沿著兩個(gè)導(dǎo)電部件之間或一個(gè)導(dǎo)電部件與設(shè)備邊界表面之間的絕緣表面測量的最短路徑。（圖片來源：Optimum Design)
間隙定義為通過空氣測量的兩個(gè)導(dǎo)電部件之間或一個(gè)導(dǎo)電部件與設(shè)備邊界表面之間的最短路徑。爬電距離定義為沿著兩個(gè)導(dǎo)電部件之間或一個(gè)導(dǎo)電部件與設(shè)備邊界表面之間的絕緣表面測得的最短路徑。符合這兩個(gè)參數(shù)的要求有助于確保不會產(chǎn)生飛弧，不會迸發(fā)火花，用戶不會接觸高壓。
雖然 SSR 本身可能被認(rèn)定為具有數(shù)千伏的隔離額定值，但為使所用電壓通過認(rèn)證，任何到 SSR 的連接都必須保持必要的距離。
SSR 還可能需要外部保護(hù)。交流負(fù)載 SSR 在自身或附近的感性負(fù)載斷開時(shí)，可能會看到高壓尖峰，這會損壞 SSR 輸出結(jié)構(gòu)。最常見的解決方案是將一個(gè)或多個(gè)保護(hù)元件（例如金屬氧化物變阻器 (MOV) 或瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)）作為電壓箝位器件，放在 SSR 的負(fù)載端子上（圖 12）。
圖 12：SSR 的輸出可能需要外部保護(hù)以防止電壓尖峰，例如感性負(fù)載切換產(chǎn)生的電壓尖峰。這種保護(hù)可以由 MOV 或 TVS 提供。（圖片來源：Phidgets, Inc.）
為了確定這些器件的尺寸，需要分析負(fù)載的 v = L(di/dt) 幅度。如果 MOV 的電壓額定值過高，它將無法防止較低值的尖峰，仍可能造成損壞；相反，如果電壓額定值過低，MOV 將經(jīng)常被“觸發(fā)”，且會隨著過壓尖峰重復(fù)出現(xiàn)而降級和損壞。
此外，使用帶有 TRIAC 或晶閘管輸出的交流 SSR 時(shí)，感性負(fù)載的開/關(guān)切換會導(dǎo)致 dv/dt 電壓瞬變，這可能引起 SSR 誤導(dǎo)通。雖然這種假導(dǎo)通不像 di/dt 引起的電壓尖峰那樣會損壞 SSR，但顯然仍是一個(gè)問題。為了防止這種情況發(fā)生，還要增加一個(gè) RC 吸收器電路來抑制 TRIAC 電壓突然升高（圖 13）。
圖 13：SSR 輸出的 RC 吸收器可防止感性負(fù)載引起誤導(dǎo)通。（圖片來源：Omron Corp.）
直流 SSR 的情況類似，但稍微簡單一些。如果負(fù)載是感性的，它斷開時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰可能會損壞已經(jīng)開路的 SSR 輸出。標(biāo)準(zhǔn)解決方案是連接一個(gè)二極管，其陰極在正端上，從而在 SSR 周圍提供一條路徑供電流流動和消散（與 EMR 線圈和螺線管使用的是相同的技術(shù)）。
結(jié)論
固態(tài)繼電器是極其有用且強(qiáng)大的器件，用于開啟/關(guān)閉交流和直流負(fù)載，同時(shí)在控制和負(fù)載之間提供電氣隔離。固態(tài)繼電器本身堅(jiān)固耐用且易于應(yīng)用，但設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)評估輸入、輸出、負(fù)載和散熱情況，以選擇合適的 SSR 并運(yùn)用它來可靠地實(shí)現(xiàn)其性能和功能。
