全方位解析“固態(tài)繼電器”（SSR）

定義與描述

SSR定義：固態(tài)繼電器(Solid State ReIay，SSR)是一種通斷控制裝置，它用一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體（如功率晶體管、SCR或三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)）傳導(dǎo)負(fù)載電流。（SCR 和三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)通常稱為“半導(dǎo)體閘流管”，是由閘流管和晶體管結(jié)合得出的術(shù)語(yǔ)，因?yàn)榘雽?dǎo)體閘流管是觸發(fā)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。）

與所有繼電器一樣，SSR需要相對(duì)較低的控制電路能量來(lái)在“通”和“斷”之間切換輸出狀態(tài)。由于該控制能量比繼電器在滿負(fù)荷下能控制的輸出功率低得多，SSR的 “功率增益”相當(dāng)大，常常比額定輸出相當(dāng)?shù)碾姶攀嚼^電器(EMR)大很多。換言之，SSR的靈敏度常常比額定輸出相當(dāng)?shù)腅MR高得多。

SSR的類型：一種簡(jiǎn)單的方法是按輸入電路的性質(zhì)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離的方法進(jìn)行一定的參考來(lái)分類SSR。公認(rèn)的有三個(gè)主要類型：

• 舌簧繼電器耦合SSR（見(jiàn)圖1）在這類SSR中，控制信號(hào)被（直接或通過(guò)一個(gè)前置放大器）加到一只舌簧繼電器的線圈上。然后，簧片開(kāi)關(guān)閉合會(huì)接通相應(yīng)的電路，從而觸發(fā)可控硅開(kāi)關(guān)。顯然，輸入輸出隔離是由舌簧繼電器實(shí)現(xiàn)的，通常隔離度極高。

• 變壓器耦合SSR（見(jiàn)圖2），在這類SSR中，控制信號(hào)（如果為DC，則通過(guò)一個(gè)DC-AC轉(zhuǎn)換器；如果為AC，則直接）加到一個(gè)低功率小變壓器的初級(jí)電壓上，由初級(jí)電壓激發(fā)產(chǎn)生的次級(jí)電壓（通過(guò)或不通過(guò)整流、放大或其它調(diào)整）用于觸發(fā)可控硅開(kāi)關(guān)。在這種類型中，輸入輸出隔離度取決于變壓器的設(shè)計(jì)。

• 光耦合SSR（見(jiàn)圖3），在這類SSR中，控制信號(hào)施加到一個(gè)光源或紅外光源（通常為發(fā)光二極管，或LED），有一個(gè)光敏半導(dǎo)體（即光敏二極管、光敏晶體管或光敏閘流管）檢測(cè)該光源發(fā)出的輻射。然后用光敏器件的輸出來(lái)觸發(fā)（選通）開(kāi)關(guān)負(fù)載電流的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)或 SCR。顯然，輸入和輸出之間唯一顯著的“耦合通路” 是光束或紅外輻射，電隔離度極高。這類SSR也稱為“ 光學(xué)耦合”或“光隔離”。

除上述主要類型的SSR外，還有一些專用設(shè)計(jì)值得一提：

• 直接控制AC型（見(jiàn)圖4），在這類SSR中，用外部接觸器觸發(fā)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)（或背對(duì)背連接的SCR），外部接觸器工作在與負(fù)載電路使用同一AC輸電線路供電的電路中。這種類型也稱為具有一個(gè)“開(kāi)關(guān)閉合”輸入。顯然，雖然與較復(fù)雜的設(shè)計(jì)相比這種繼電器較為簡(jiǎn)單，因而成本較低，但它們具有在控制和負(fù)載電路之間沒(méi)有隔離的巨大缺點(diǎn)（對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言）。

• 直接控制DC型（見(jiàn)圖5），在這類SSR中，用外部接觸器控制晶體管的導(dǎo)通，外部接觸器工作在與負(fù)載電路使用同一DC輸電線路供電的電路中。這種類型的繼電器可能是所有類型中最簡(jiǎn)單的，因而成本最低，但它們也具有在控制和負(fù)載電路之間沒(méi)有隔離的巨大缺點(diǎn)（對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言）

• 針對(duì)DC設(shè)計(jì)的SCR型，在這類SSR中，載有負(fù)載電流的 SCR通過(guò)接在“整流電路”（如圖6所示的電路）中的第二個(gè)SCR斷開(kāi)，該SCR通過(guò)將第一個(gè)SCR的電流瞬間降到零而將其斷開(kāi)。

  

使用特殊隔離方法的設(shè)計(jì)，如：

...霍耳效應(yīng)，在這類SSR中，置于SSR外部臨近位置的磁鐵運(yùn)動(dòng)引起一種磁場(chǎng)敏感型材料中電阻的變化，從而觸發(fā)通斷行為。

...振蕩器整定，在這類SSR中，外部信號(hào)改變振蕩器的頻率，從而導(dǎo)致緊密耦合的諧振電路觸發(fā)通斷行為。

...飽和電抗器或磁放大器，在這類SSR中，一個(gè)繞組中的 DC控制電流控制另一繞組中的感應(yīng)電壓（來(lái)自AC源）。然后用感應(yīng)電壓觸發(fā)通斷行為。

可以肯定地說(shuō)：前面所述的三種主要類型（即圖1~3）中 的一種即可以很好地滿足95%以上的所有SSR要求。

輸入電路性能：隔離SSR的靈敏度（即可使SSR接通的最小 控制電壓和電流）取決于隔離器件或電路的特性

• 在混合式（舌簧繼電器隔離）設(shè)計(jì)中，SSR的靈敏度由舌簧繼電器的工作功率要求決定，其工作功率范圍非常寬，可低至40毫瓦（如5 Vdc，8 mA），可高達(dá)數(shù)百毫瓦。請(qǐng)注意，低電壓小功率設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字計(jì)算機(jī)“邏輯電平” 兼容，數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器的標(biāo)準(zhǔn)“高扇出”TTL邏輯電平輸出可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或兩個(gè)以上并聯(lián)的混合式SSR。

• 在變壓器耦合SSR中，靈敏度通常比混合式高很多，因?yàn)檩斎胄盘?hào)只須選通驅(qū)動(dòng)變壓器的AC-DC轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)圖2），一般所需的功率小于10 mW（如4.5 v dc，2 mA），極少超過(guò)50mW。這種靈敏度優(yōu)于任何單一TTL數(shù)字輸出要求的值，一個(gè)高扇出TTL輸出可以驅(qū)動(dòng)3-10個(gè)并聯(lián)的此類SSR。

• 在光耦合SSR中，靈敏度從6 mW（如3 v dc，2 mA）到 100 mW。使用合適的串聯(lián)電阻器或穩(wěn)流器，這種輸入電路也與TTL邏輯電平兼容，高扇出邏輯線路可并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)光耦合SSR。

• 大多數(shù)“直接控制”SSR（圖4和圖5）的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于隔離式設(shè)計(jì)的靈敏度，但這一事實(shí)并不重要，因?yàn)橐蟮目刂乒β蕩缀蹩偸窃谏踔磷钚〉目刂平佑|器的能力范圍內(nèi)。

SSR的最大斷開(kāi)電平（電壓和/或電流）是其最小接通電平的50%左右。這一特點(diǎn)在“通”和“斷”狀態(tài)之間提供了充足的安全裕度，從而消除了由控制信號(hào)的小變化導(dǎo)致的不穩(wěn)定行為。

在許多SSR設(shè)計(jì)中，控制電壓范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小接通電壓包含的范圍。在針對(duì)寬輸入電壓范圍進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計(jì)中，SSR額定用在6:1以上的控制電壓范圍（如3.0 V ~ 32 V）上的情況并不少見(jiàn)。在混合式設(shè)計(jì)中，舌簧繼電器的線圈可以繞成幾乎用于任何可用的控制電壓，低至3 V標(biāo)稱值，高達(dá)50 V甚至更高，但混合式SSR可承受的輸入電壓范圍受繼電器線圈中的耗散影響。一般來(lái)說(shuō)，1.5到1的范圍是可以接受的。另一方面，可以使用串聯(lián)電阻或一個(gè)“恒定電流”有源輸入電路來(lái)使混合式繼電器適應(yīng)較高的輸入電壓。

輸入特性:除考慮靈敏度特性（第124頁(yè)）外，我們還必須介紹SSR的輸入電路隔離特性，這一特性需要考慮許多不同的參數(shù)，包括：

• 電介質(zhì)強(qiáng)度：用從控制電路到SSR外殼和輸出（負(fù)載）電路的最小擊穿電壓來(lái)確定額定值。從控制電路到外殼或從控制電路到輸出電路的典型額定值都是 1500 v ac (RMS)。

• 絕緣電阻：從控制電路到外殼和輸出電路的絕緣電阻。對(duì)于變壓器型和混合式設(shè)計(jì)，典型額定值范圍從 10 MΩ到100,000 MΩ。對(duì)于光學(xué)隔離SSR，典型絕緣電阻范圍1000 ~ 1,000,000 MΩ。

• 雜散電容：從控制電路到外殼和輸出電路的雜散電容。到外殼的電容很少是顯著的，但到輸出電路的電容可將交流和瞬變值反饋到敏感的控制電路，甚至進(jìn)一步反饋到更遠(yuǎn)的控制信號(hào)源。幸運(yùn)的是，在精心設(shè)計(jì)的SSR中，這種電容極少能大到足以引起交互作用的程度。雜散電容的典型范圍為1 – 10 PF。

本節(jié)后面將講述SSR對(duì)控制電壓施加的響應(yīng)速度。

輸出電路性能:顯然，最重要的輸出電路參數(shù)是在“ 斷”狀態(tài)下可以加在繼電器輸出電路上不會(huì)導(dǎo)致其擊穿為導(dǎo)通或出故障的最大負(fù)載電路電壓，以及在“通”狀態(tài)下可以流過(guò)輸出電路和負(fù)載的最大電流。

請(qǐng)注意，這些參數(shù)與電磁式繼電器上接觸器的普通額定電壓和額定電流相似（至少乍一看是這樣）。但是，EMR額定輸出和SSR額定輸出之間存在差別，我們將隨著本講解的進(jìn)行在后面詳細(xì)研究這些差別。

在最普通的方法中，我們可以說(shuō)SSR的“觸點(diǎn)額定值” 幾乎全由負(fù)載電流開(kāi)關(guān)裝置的特性決定。也許從研究最簡(jiǎn)單類型的交流SSR，即直接控制（非隔離）設(shè)計(jì)可以最明顯地反映這個(gè)事實(shí)，例如最初在圖4中所示，后面又在圖7中再次呈現(xiàn)并顯示了通斷狀態(tài)下的等效電路的設(shè)計(jì)。在“通”狀態(tài)（圖7b），三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)出幾乎恒定的壓降（即幾乎與負(fù)載電流無(wú)關(guān)），該壓降約等于兩個(gè)硅二極管的壓降 – 小于2 V。負(fù)載電流流過(guò)此壓降導(dǎo)致功率耗散(Pd = Vd x I負(fù)載)，此功率將導(dǎo)致三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)中的溫度升高。如果提供了合適的“散熱”，即從三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)外殼到外面空氣或到導(dǎo)熱金屬結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱金屬結(jié)構(gòu)可以再將功率耗散到周圍空氣中，不會(huì)有明顯的升溫，則三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的溫度將不會(huì)上升到保證可靠運(yùn)行的額定最大值（一般為100?C）以上。具有充分的散熱時(shí)，SSR的額定電流可以不由功率耗散決定，而由三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的額定電流決定。

圖7c顯示了這種非常簡(jiǎn)單的SSR在“斷”狀態(tài)的等效電路。請(qǐng)注意，即使當(dāng)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)被切斷時(shí)，也會(huì)有非常少量的漏電流流過(guò)。該電流電路在等效電路中用電阻表示，實(shí)際上是負(fù)載電路電壓的非線性函數(shù)。在確定三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的額定值時(shí)，通常習(xí)慣做法是為這一“切斷狀態(tài)漏電流”規(guī)定一個(gè)最壞情況下的最大值，對(duì)于5 A的負(fù)載額定電流，典型值為最大0.001 A。負(fù)載電路電壓的額定值較簡(jiǎn)單，由晶閘管的阻斷電壓額定值決定。

更常用的隔離SSR（大多設(shè)計(jì)用于控制交流負(fù)載電路）的輸出電路額定值的確定與上述方法非常相似，只是“ 切斷狀態(tài)漏電流”通常更高一些，對(duì)于一個(gè)5 A的裝置，在140 V時(shí)漏電流約為5 mA，仍然只是額定負(fù)載電流的千分之一左右。圖7顯示了一個(gè)用三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)控制的SSR設(shè)計(jì)的等效電路，圖8顯示了負(fù)載電路中的電流波形，都分別顯示了“斷”狀態(tài)和“通”狀態(tài)的情況。請(qǐng)注意，“通”狀態(tài)壓降曲線的刻度范圍比“斷”狀態(tài)和負(fù)載電壓曲線寬得多。

即使在我們研究SSR性能的早期階段，也有必要考慮控制信號(hào)和交流負(fù)載電路電壓和電流之間的時(shí)間關(guān)系。

至于定時(shí)，有兩種類型的開(kāi)關(guān)SSR。其中一種沒(méi)有采取特殊的措施來(lái)在負(fù)載電路-電源線路交變與可控硅開(kāi)關(guān)接通之間實(shí)現(xiàn)同步。在這類“非同步”開(kāi)關(guān)SSR中，控制電壓的施加和負(fù)載電路開(kāi)始導(dǎo)通之間的響應(yīng)延時(shí)非常短，在光耦合和變壓器耦合SSR上一般從20μS到 200μS，在混合式SSR上小于1mS（因舌簧式繼電器的操作時(shí)間而較長(zhǎng)一些）。在非同步設(shè)計(jì)中，“通”狀態(tài)的電流波形顯然是交流循環(huán)中施加控制信號(hào)時(shí)的函數(shù)，如圖9a所示。

在同步（零電壓接通）設(shè)計(jì)中，施加控制信號(hào)的效果被延遲（如果需要），直到電源線路電壓通過(guò)零點(diǎn)（見(jiàn)圖 9b）。（這是由內(nèi)部選通電路完成的，該電路感應(yīng)線路電壓的量值，并在發(fā)生下一次零值跨越前阻止觸發(fā)半導(dǎo)體閘流管。） 因此，如果恰好在跨越零值后立即施加控制信號(hào)，SSR實(shí)際上將不開(kāi)始導(dǎo)通，直到幾乎完整的半個(gè)周期后才導(dǎo)通。另一方面，如果恰好在剛要跨越零值前施加控制信號(hào)，SSR將幾乎立即導(dǎo)通，只有很小的接通延遲（上面針對(duì)非同步設(shè)計(jì)所述）。那么，很明顯，同步SSR的接通延遲可以是任何值，從小于一毫秒到電源線路的完整半個(gè)周期（對(duì)于60 Hz電源線路，約為8.3 毫秒）。通常，對(duì)于60 Hz的供電線，所有固態(tài)設(shè)計(jì)的額定延遲的最大值給定為8.3毫秒，混合式設(shè)計(jì)最大值給定為1.5毫秒。

AC開(kāi)關(guān)SSR的最后一個(gè)主要特性是切斷行為。由于半導(dǎo)體閘流管在一旦觸發(fā)時(shí)并不立即停止導(dǎo)通，直到流過(guò)它的負(fù)載電流降為零時(shí)才停止導(dǎo)通，最大可能切斷延遲（控制信號(hào)撤消和負(fù)載電流停止之間）為半個(gè)周期。與接通時(shí)的情況一樣，最小切斷延遲接近于零。因此，典型 60 Hz線路切斷時(shí)間額定值為最大9毫秒。