SSR哪些好用_SSR的优缺点及其最适合的应用

自30多年前推出以来，固态继电器(SSR)已取代电磁继电器(EMR)，可用于要求超可靠性、无电弧和低功耗的开关应用中。SSR的其他优势包括无噪声操作和与数字控制电路兼容。然而，在要求苛刻的家庭、商业和医疗应用中，尤其是那些需要遵守国际电磁兼容性(EMC)标准(如IEC 60947-4-3)的应用中，必须仔细选择继电器，以确保继电器产生的电磁干扰(EMI)最小。一些产品可能有电压尖峰，这可能导致违反EMC标准的风险。本文将介绍SSR的优缺点及其最适合的应用。然后，在介绍Sensata Technologies的一系列低噪声SSR之前，我们讨论可能导致发射问题的继电器的关键部件，设计人员可以在EMI敏感的商业、家庭和医疗应用中使用这些部件。

EMR对比SSR

因为在吸合期间它将暴露于全电路电流，所以使用开关来接通和关断大功率电路是不切实际的。开关在工作时会产生危险的电弧，在工作时会过热。这种解决方案是通过常规开关来开启和关闭小功率电路，从而触发大功率电路。这种布置的优点之一是减少了大功率电路所需的大量布线长度，从而降低了成本和空间。这些优点是由于继电器可以安装在负载附近，并且可以用细导线与小功率开关连接。这种开关通常位于更方便用户使用的位置。此外，低功率电路可以与高功率电路电隔离。使用继电器的例子包括商用烤箱、家用电器和医疗设备。传统的EMR是用一个小功率电路供电的线圈产生磁场，然后触点靠这个磁场闭合(常开)。EMR可以将交流或DC负载切换到其最大额定值。触点的接触电阻随着负载的增加而降低，从而降低功耗，不需要散热(图1)。

EMR的主要优势是低成本和在任何低于器件介电额定值的外加电压下的隔离。当大功率电路必须完全打开或关闭时，将用户与泄漏电流造成的伤害危险隔离开来尤为重要。如果预计交流电源中会有较大的浪涌电流或峰值电压，EMR也是一个不错的选择。EMR的主要缺点是潜在的EMI和磨损。继电器会产生明显的电磁干扰，因为当触点打开和关闭时可能会产生电弧。通常这种低层次、设计良好的EMR都含有屏蔽结构，会减少辐射，但在靠近EMI敏感设备的区域使用时仍需注意。因为EMR是机械设备，再好的设计和制造的产品，最终也会磨损。在大多数情况下，线圈是第一个出现故障的，由于触点总是打开的(NO)，设备将处于故障安全状态，从而将低功率电路与高功率电路隔离。换句话说，现代的EMR是非常可靠的，通常继电器供电的设备会先磨损。随着开关大功率应用的控制电路升级为数字电子设备，SSR也逐渐投入使用。顾名思义，SSR是一种基于半导体的器件，因此非常适合通过基于微控制器的数字电路进行电路监控，尤其适合开关速度较高的应用。SSR克服了EMR的主要缺点。因为没有运动部件，SSR不会磨损。这种设备通常执行数千万个操作周期，但当它们出现故障时，通常处于“开启”位置，这可能会带来安全风险。SSR在关闭或打开时不会产生电弧，这不仅使它们适合在危险环境中使用，而且消除了大多数困扰EMR的EMI源。SSR不会产生机械噪声，并且可以在很宽的输入电压范围内工作，即使在高电压下，它也能实现低功耗。随着SSR的价格越来越低，EMR向SSR的转化也在加速。SSR的主要缺点是它是半导体电路的基本元件。比如“开”的时候，它的电阻很大，导致几十瓦的功耗，从而发热。为了克服散热问题，设计师通常不得不选择耐用的散热器，但这会增加解决方案的尺寸和重量。另外，SSR会受到环境热量的影响，所以在高温下使用时必须降低额定功率。如果内部电路电阻对电源电压的变化很敏感，内部电路电阻也会产生压降，可能会引起负载问题。在“导通”状态下，固态继电器会产生一定的漏电流。在高电压下，这是不希望的情况，甚至可能导致安全问题。此外，许多SSR需要最小负载来正常运行。

固态继电器基本工作原理

输出开关是固态继电器的关键部分。对于交流输出继电器，其输出可由双向可控硅或背靠背可控硅控制。SCR解决方案的主要优势在于其快速dv/dt特性，尤其是当继电器“接通”时。例如，当具有三端双向可控硅开关控制输出的SSR关闭时，dv/dt可能慢至每毫秒5至10伏(v/ms)。dv/dt的缓慢特性可能会成为一个问题，因为如果用于减小电流的di/dt(和/或用于重新施加电压的dv/dt)的深度不够，则三端双向可控硅开关可能会在交流电源通过零电流/电压点后导通。这种事件会使输出不稳定，增加EMI。相比之下，SCR的dv/dt约为500伏/微秒(V/s)，过零后不会导通。带可控硅的SSR的另一个优点是，与单个可控硅相比，这些元件分散在更大的范围内，所以散热效果更好。本文的其余部分将介绍带有背靠背SCR输出级的SSR。图2显示了使用SCR的基本SSR。交流输出固态继电器通常由交流线路供电。当S1(由输入电路控制)闭合时，SCR1和SCR2的栅极连接，交流电源的电流流经R1或R2，进入任一正向偏置的SCR栅极。这样可控硅就会导通，继电器就会导通给负载供电。对于交流电源的每半个周期，SCR将交替导通以向负载提供电流。当S1导通时，无论哪个SCR处于“导通”状态，它都将继续导通，直到当SCR变为“关断”时交流电流为零。这时，另一个可控硅阻止任何栅极电流流入，继电器关断，负载电源被切断。

现代SSR通常依靠光耦合器来隔离低功率和高功率电路。对于设计人员来说，有两个关键选择：使用基于LED/光电晶体管的光耦合器，或者使用结合了LED和光电隔离开关的器件。光电晶体管需要的控制电流更小，节省空间，这确实给设计人员带来了更多配置控制电路特性的机会。triac的主要优势是成本低。图3为光电隔离开关控制的继电器原理图。

适合低EMI环境的固态继电器

对于EMI敏感的应用，带SCR控制输出的SSR将是一个不错的选择，因为这些器件的固有噪声较低。对于对EMI特别敏感的应用，例如要求使用符合IEC 60947-4-3标准的开关产品的应用，应选择超低噪声产品。对于这些应用，只有当交流电压超过零电压点时(无论输入何时激活)，才开启SSR是非常好的选择。这些所谓的过零器件可以消除交流输出处于中间周期时可能出现的浪涌电流和电压尖峰。这将减少电磁干扰的发生。设计人员应该注意，虽然过零SSR特别适合阻性负载(如加热器)，但不适合高电感负载。对于这类应用，比较好的选择是所谓的随机切换SSR。当输入开关被激活时，这些设备将立即切换，而不是等待交流电源达到零。提供Sensata-Crydom品牌SSR的Sensata Technologies最近为其LN系列交流输出低噪声范围SSR推出了三款新产品。LND4425可以向输出提供25安培(A)的电流，LND4450提供50安培，LND4475提供75安培.这款设备需要100 mA rms (mArms)的最小负载电流才能稳定运行，其外形只有“冰球”大小，重约75克(g)(图4)。所有三种解决方案都提供48-528 V交流输出和4.8-32 V DC控制电压。这些器件内置输入/输出过压保护，从输入到输出的介电强度为3500 Vrms。

LN系列工作时电磁干扰最低。该系列由输入端带有光电隔离开关的光耦合器和背靠背SCR控制，以克服由慢dv/dt引起的潜在EMI。背靠背SCR的dv/dt为500 v/s，产品还具有专利触发电路，可实现阻性负载切换，EMI最小。LN系列SSR的原理图如图5所示。

凭借这些EMI缓解功能，该器件将最终满足IEC60947-4-3环境B标准对低压家庭、企业和轻工业场所的要求(图6)。

LN系列特别适合商用烤箱加热器等应用，如图7所示。

结论

继电器是通过使用低功率激活电路来切换大功率电路的简单且成熟的解决方案。当需要低成本解决方案时，EMR将是一个不错的选择，但它不适合高频开关应用和EMI敏感区域。SSR成本高，但稳定无磨损，特别兼容数码电子设备。但与EMR相比，设计师要意识到，SSR在类似应用中会产生更大的散热，这是一个更棘手的问题。尽管所有类型的SSR都具有比EMR更低的EMI，但是一些设计仍然难以满足EMC法规的要求，例如IEC60947-4-3环境B规范。如图所示，解决方案是使用带有背靠背SCR输出级的SSR。这些器件提供过零开关，因此只产生超低射频辐射，更容易满足监管要求。