作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

固態(tài)繼電器 (SSR) 越來越多地為各種不同的行業(yè)所廣泛使用，包括塑料、包裝、食品和飲料、暖通空調(diào)、半導(dǎo)體、可再生能源和傳統(tǒng)能源、石油和天然氣、運(yùn)輸、印刷、實(shí)驗(yàn)室、窯爐和烤箱、照明、醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)控制等。SSR 經(jīng)常被用來代替電磁繼電器 (EMR)，因?yàn)樗鼈儧]有活動(dòng)部件，使用壽命長。此外，它們還不會(huì)因接觸表面存在電弧而受到接觸侵蝕和電氣干擾。

由于固態(tài)繼電器有多種配置，可支持各種負(fù)載類型，因此設(shè)計(jì)人員必須了解如何選擇固態(tài)繼電器來滿足預(yù)期用途。這一點(diǎn)在工業(yè)應(yīng)用中尤為明顯，如控制電動(dòng)機(jī)、水泵和風(fēng)扇等感性負(fù)載的應(yīng)用，需要與加熱和照明應(yīng)用不同類型的繼電器，因?yàn)榧訜岷驼彰鲬?yīng)用是阻性負(fù)載。

本文將簡要討論為什么 SSR 是工業(yè)和工廠自動(dòng)化的絕佳選擇。然后以 [Carlo Gavazzi]的器件為例，介紹了這些器件的用途、特點(diǎn)以及如何為應(yīng)用選擇這些器件。

為什么使用 SSR？

工業(yè)和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)需要開關(guān)設(shè)備具有以下特性才能滿足要求：成本低、可靠性高、致動(dòng)時(shí)間快且無觸點(diǎn)顫動(dòng)或電弧、電磁干擾 (EMI) 最小、不易受惡劣環(huán)境影響以及耐機(jī)械沖擊和振動(dòng)能力強(qiáng)等。SSR 在開關(guān)操作中使用半導(dǎo)體器件取代機(jī)械繼電器的電樞和觸頭，從而滿足了這些要求。由于 SSR 是全封閉的，因此還具有抗沖擊、抗振動(dòng)、抗潮濕、抗化學(xué)品腐蝕和耐灰塵的特性。因此，器件壽命長、可靠性高。

因此在為應(yīng)用選擇 SSR 時(shí)，需要了解所控制的負(fù)載和 SSR 的基本特性，以便讓應(yīng)用需求與繼電器規(guī)格相匹配。

SSR 控制和負(fù)載規(guī)格

SSR 可使用交流或直流控制電壓進(jìn)行控制。直流控制使用低電壓，通常為 4 V 至 32 V。它們還可以使用 4 mA 至 20 mA 電流回路或 1 VDC 至 10 VDC 模擬輸入。交流控制使用的電壓范圍為 24 VAC 至 275 V AC 。

SSR 負(fù)載可以是交流或直流。SSR 的最大交流負(fù)載電壓高至 690 V AC ，額定交流電流為 125 A。直流額定值為 500 VDC 和 100 A。

電氣負(fù)載類型

電氣負(fù)載按其主要電氣特性進(jìn)行分類。電機(jī)、風(fēng)扇和泵都屬于感性負(fù)載。負(fù)載電流和電壓不同步，電流滯后于電壓。感性負(fù)載會(huì)通過產(chǎn)生一種稱為反電動(dòng)勢 (EMF) 的反電壓電位來抵消其負(fù)載電流的變化。與感性負(fù)載一起使用的固態(tài)繼電器必須能夠承受這些電壓。

像加熱器、烤箱、電爐、烘干機(jī)和燈具這樣的設(shè)備則屬于阻性負(fù)載。阻性負(fù)載的電壓和電流是同相位的。

容性負(fù)載可抵御負(fù)載電壓的變化。容性負(fù)載中的電流和電壓不同步，電流領(lǐng)先于電壓。大多數(shù)開關(guān)電源和一些醫(yī)療設(shè)備（如除顫器）都存在容性負(fù)載。當(dāng)電壓首次施加到容性負(fù)載時(shí)，其阻抗非常低，因此會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流。

每種負(fù)載的特性決定了控制負(fù)載所需的 SSR 類型。

SSR 的類型

常用的 SSR 有五種類型（圖 1）：零點(diǎn)開關(guān)或過零開關(guān)、瞬時(shí)導(dǎo)通或隨機(jī)開關(guān)、直流開關(guān)、峰值開關(guān)以及相位角或模擬開關(guān)。

圖 1：SSR 的類型區(qū)分依據(jù)在于 SSR 相對(duì)于線路電壓的開關(guān)時(shí)間。（圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.）

SSR 類型區(qū)分依據(jù)在于器件相對(duì)于線路電壓相位的開關(guān)時(shí)間。零點(diǎn)開關(guān) SSR 是一種交流繼電器，在施加控制信號(hào)后當(dāng)線路電壓第一次過零時(shí)開關(guān)負(fù)載。SSR 的開關(guān)時(shí)間最多為線路頻率的半個(gè)周期，因此對(duì)于 60 赫茲 (Hz) 的線路頻率而言，開關(guān)時(shí)間為 8.3 毫秒 (ms)。零點(diǎn)開關(guān) SSR 主要用于阻性負(fù)載，以限制開關(guān)時(shí)的高浪涌電流。由于連接負(fù)載時(shí)線路電壓為零，因此阻性負(fù)載中的電流也為零。這種繼電器也適用于大多數(shù)感性和容性負(fù)載。

隨機(jī)開關(guān)或瞬時(shí)導(dǎo)通 SSR 也是一種交流繼電器，在施加控制電壓后會(huì)立即向負(fù)載供電。它在任何相位的線路電壓下都會(huì)接通。典型的響應(yīng)延遲小于 1 ms。隨機(jī)開關(guān)繼電器用于感性負(fù)載。

直流開關(guān) SSR 適用于直流電阻和電感應(yīng)用。與隨機(jī)開關(guān)繼電器一樣，它在控制信號(hào)發(fā)出后立即連接負(fù)載。響應(yīng)時(shí)間小于 100 微秒 (ms)。

峰值開關(guān) SSR 在施加控制電壓后，在下一個(gè)線電壓峰值時(shí)開關(guān)。這些繼電器用于變壓器等重型感性負(fù)載。

相位角或模擬開關(guān) SSR 讀取模擬控制信號(hào)的電壓。繼電器輸出的導(dǎo)通周期與控制電壓的幅值成正比。這種 SSR 用于閉環(huán)系統(tǒng)和應(yīng)用，其中會(huì)使用軟啟動(dòng)來限制浪涌電流。

其他 SSR 類型，即上述 SSR 的變體，使用得較少，主要用來滿足特殊應(yīng)用需求。

極數(shù)

SSR 是單擲裝置，可以接通或斷開一個(gè)極。極數(shù)是指可控制的線路電壓數(shù)。單相交流線路或直流線路需要單極 SSR。220 伏單相線路需要兩個(gè)極，每個(gè)極用于每個(gè) 110 伏分量源。三相應(yīng)用則需要三極繼電器。

繼電器分為單極單擲 (SPST)、雙極單擲 (DPST) 或三極單擲 (3PST)。

SSR 的設(shè)計(jì)

固態(tài)繼電器的功能框圖因交流或直流應(yīng)用而異。用于雙極交流應(yīng)用的 SSR，如 Carlo Gavazzi 的 [RK2A60D50P]DPST 零點(diǎn)開關(guān)繼電器（圖 2），使用晶閘管作為控制設(shè)備。

圖 2：所示為用于交流應(yīng)用的 RK2A60D50P DPST 固態(tài)繼電器的功能框圖。（圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.）

RK2A60D50P 的額定輸出電壓為 660 V，輸出電流高達(dá) 50 A。該系列中的其他 SSR 可處理高達(dá) 75 A 的輸出電流。它需要 4 VDC 至 32 VDC 的控制電壓。與所有 SSR 一樣，它使用光耦合器確保控制電壓源與 4,000 VRMS 線路之間的電氣隔離。該繼電器的兩個(gè)輸出端有一個(gè)共同的控制輸入端；該產(chǎn)品系列中的其他型號(hào)每個(gè)輸出端都有單獨(dú)的控制輸入端。施加控制電壓會(huì)啟動(dòng)過零檢測器，在兩極線路過零時(shí)觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管。

直流應(yīng)用是單極應(yīng)用，使用晶體管作為主要開關(guān)器件。Carlo Gavazzi [RM1D060D50] SPST DC SSR 的功能框圖（圖 3）顯示了這一點(diǎn)。

圖 3：所示為 RM1D060D50 DC SPST SSR 的功能框圖；DC SSR 使用晶體管作為主要開關(guān)器件。（圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.）

該器件可處理 1 VDC 至 60 VDC 的輸出電壓和 50 A 的輸出電流。該系列 SSR 具有可處理 500 VDC 電壓和 100 A 電流的繼電器。由于線路是單極直流，因此使用 MOSFET 作為主開關(guān)。因此，繼電器的接通和斷開響應(yīng)時(shí)間均小于 100 ms。該繼電器的開關(guān)速度為 1,000 Hz，使用的直流控制電壓范圍為 4 VDC 至 32 V DC 。該產(chǎn)品系列中的其他器件可提供最高 280 V 的交流控制電壓。控制電壓與線路之間也具有 3750 VRMS 的電隔離。

控制線路和負(fù)載之間的電隔離也可以通過變壓器耦合來實(shí)現(xiàn)。在 Carlo Gavazzi [RP1D060D8] 的框圖（圖 4）中顯示了這種隔離方式，它使用通過射頻變壓器耦合的調(diào)制射頻源，在輸入和輸出之間提供電隔離。

圖 4：RP1D060D8 中的變壓器耦合實(shí)現(xiàn)了電隔離。（圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.）

這款直流開關(guān) SSR 的額定電壓為 350 V DC ，電流為 8 A。它使用 4.25 VDC 至 32 VDC 的直流控制電壓。它采用 4-SIP 封裝，四個(gè)通孔引腳的間距為 0.1"。它與上述其他 SSR 的不同之處在于，其體積更小，并使用變壓器耦合來隔離輸入和輸出。其隔離規(guī)格為 4,000 V RMS ，閉合時(shí)的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間為 <100 ms，打開時(shí)為 <250 ms。

工作溫度范圍

SSR 的開關(guān)電壓最高可達(dá) 660 V，電流可高至 100 A，且會(huì)產(chǎn)生大量熱量。開關(guān)時(shí)會(huì)耗散功率，此時(shí)通過繼電器的電流和兩端的電壓都不為零。必須使用散熱器將這些熱量從繼電器中帶走。環(huán)境溫度會(huì)影響固態(tài)繼電器的最大額定電流，溫度升高時(shí)必須降額使用。通常情況下，輸出電流為 5 A 或更小的 SSR 無需散熱器即可運(yùn)行。如果繼電器安裝在金屬表面上，則限制電流會(huì)增加到 8 A。Carlo Gavazzi 提供與特定 SSR 型號(hào)相匹配的散熱器，可確保在任何散熱環(huán)境下都能發(fā)揮最佳性能。

安裝類型

SSR 提供各種封裝樣式（圖 5），以適應(yīng)不同的應(yīng)用。大多數(shù)安裝類型要求繼電器固定在導(dǎo)熱表面或散熱器上，以控制設(shè)備的溫度。

圖 5：所示為 SSR 的常見安裝配置示例。（圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.）

Carlo Gavazzi [RZ3A60D55]（左）是一款交流、零點(diǎn)開關(guān)、3PST SSR，輸出額定電壓為 660 V，電流為 55 A，由 4 VDC 至 32 VDC 的輸入信號(hào)控制。它采用模塊化機(jī)箱安裝系統(tǒng)，所有三個(gè)切換裝置都安裝在一個(gè)共同的底板上。使用導(dǎo)熱墊或散熱膏，將底板安裝到導(dǎo)熱表面上。

冰球式封裝 SSR 因其厚實(shí)的外形和密集的結(jié)構(gòu)而得名。這種封裝結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，因而更耐沖擊和振動(dòng)，提高了在惡劣工業(yè)環(huán)境中的可靠性。圖 5（左二）所示的 RM1D060D50 就是一個(gè)使用冰球式封裝的 SSR 實(shí)例。

系統(tǒng)級(jí)封裝 (SIP) 模塊是將一個(gè)完整的電子子系統(tǒng)封裝在一個(gè)印刷電路板（PC 板）安裝的外殼中。前面討論過的 RP1D060D8 DC SSR 就是安裝在一個(gè) 4-SIP（四引腳）封裝中，如圖 5 所示（左起第三個(gè)）。這種 SSR 可控制 8 A 或以下的輸出電流，無需散熱器即可安裝在電路板上。

DIN 導(dǎo)軌是機(jī)箱內(nèi)用于安裝斷路器、電源和 SSR 等電氣設(shè)備的金屬導(dǎo)軌。Carlo Gavazzi [RGS1A60D50KKE]是一款 SPST、交流、零點(diǎn)開關(guān) SSR，采用 DIN 導(dǎo)軌安裝，如圖 5 最右側(cè)所示。其輸出電壓為 660 V，電流為 50 A。它使用直流控制線路，電壓范圍為 4 VDC 至 32 V DC 。DIN 模塊僅寬 17.5 mm，可實(shí)現(xiàn)緊湊安裝。雖然安裝導(dǎo)軌提供了一定的冷卻效果，但仍有與 DIN 導(dǎo)軌兼容的散熱器可供選擇。

結(jié)語

SSR 沒有活動(dòng)部件，不會(huì)因接觸表面電弧而造成接觸侵蝕或電氣干擾，具有工業(yè)和工廠自動(dòng)化所需的可靠性。而像 Carlo Gavazzi 這樣的供應(yīng)商，可以提供范圍廣泛的 SSR 產(chǎn)品，通過他們可以簡化合適器件的選擇過程。在對(duì) SSR 的運(yùn)行、特性及其應(yīng)用有了一定了解后，設(shè)計(jì)人員就能更有把握地找到符合設(shè)計(jì)要求的合適繼電器。