全方位解析“固态繼電器”（SSR）

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SSR定義：固态繼電器(Solid State ReIay，SSR)是一種通斷控制裝置，它用一個或多個半導體（如功率晶體管、SCR或三端雙向可控矽開關）傳導負載電流。（SCR 和三端雙向可控矽開關通常稱為“半導體閘流管”，是由閘流管和晶體管結合得出的術語，因為半導體閘流管是觸發半導體開關。）

與所有繼電器一樣，SSR需要相對較低的控制電路能量來在“通”和“斷”之間切換輸出狀态。由于該控制能量比繼電器在滿負荷下能控制的輸出功率低得多，SSR的 “功率增益”相當大，常常比額定輸出相當的電磁式繼電器(EMR)大很多。換言之，SSR的靈敏度常常比額定輸出相當的EMR高得多。

SSR的類型：一種簡單的方法是按輸入電路的性質，并對實現輸入輸出隔離的方法進行一定的參考來分類SSR。公認的有三個主要類型：

舌簧繼電器耦合SSR（見圖1）在這類SSR中，控制信号被（直接或通過一個前置放大器）加到一隻舌簧繼電器的線圈上。然後，簧片開關閉合會接通相應的電路，從而觸發可控矽開關。顯然，輸入輸出隔離是由舌簧繼電器實現的，通常隔離度極高。

變壓器耦合SSR（見圖2），在這類SSR中，控制信号（如果為DC，則通過一個DC-AC轉換器；如果為AC，則直接）加到一個低功率小變壓器的初級電壓上，由初級電壓激發産生的次級電壓（通過或不通過整流、放大或其它調整）用于觸發可控矽開關。在這種類型中，輸入輸出隔離度取決于變壓器的設計。

光耦合SSR（見圖3），在這類SSR中，控制信号施加到一個光源或紅外光源（通常為發光二極管，或LED），有一個光敏半導體（即光敏二極管、光敏晶體管或光敏閘流管）檢測該光源發出的輻射。然後用光敏器件的輸出來觸發（選通）開關負載電流的三端雙向可控矽開關或 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“ 光學耦合”或“光隔離”。

除上述主要類型的SSR外，還有一些專用設計值得一提：

直接控制AC型（見圖4），在這類SSR中，用外部接觸器觸發三端雙向可控矽開關（或背對背連接的SCR），外部接觸器工作在與負載電路使用同一AC輸電線路供電的電路中。這種類型也稱為具有一個“開關閉合”輸入。顯然，雖然與較複雜的設計相比這種繼電器較為簡單，因而成本較低，但它們具有在控制和負載電路之間沒有隔離的巨大缺點（對大多數應用而言）。

直接控制DC型（見圖5），在這類SSR中，用外部接觸器控制晶體管的導通，外部接觸器工作在與負載電路使用同一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單的，因而成本最低，但它們也具有在控制和負載電路之間沒有隔離的巨大缺點（對大多數應用而言）

針對DC設計的SCR型，在這類SSR中，載有負載電流的 SCR通過接在“整流電路”（如圖6所示的電路）中的第二個SCR斷開，該SCR通過将第一個SCR的電流瞬間降到零而将其斷開。

如：

...霍耳效應，在這類SSR中，置于SSR外部臨近位置的磁鐵運動引起一種磁場敏感型材料中電阻的變化，從而觸發通斷行為。

...振蕩器整定，在這類SSR中，外部信号改變振蕩器的頻率，從而導緻緊密耦合的諧振電路觸發通斷行為。

...飽和電抗器或磁放大器，在這類SSR中，一個繞組中的 DC控制電流控制另一繞組中的感應電壓（來自AC源）。然後用感應電壓觸發通斷行為。

可以肯定地說：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）設計中，SSR的靈敏度由舌簧繼電器的工作功率要求決定，其工作功率範圍非常寬，可低至40毫瓦（如5 Vdc，8 mA），可高達數百毫瓦。請注意，低電壓小功率設計與标準數字計算機“邏輯電平” 兼容，數字計算機或數字控制器的标準“高扇出”TTL邏輯電平輸出可以驅動兩個或兩個以上并聯的混合式SSR。

在變壓器耦合SSR中，靈敏度通常比混合式高很多，因為輸入信号隻須選通驅動變壓器的AC-DC轉換器（見圖2），一般所需的功率小于10 mW（如4.5 v dc，2 mA），極少超過50mW。這種靈敏度優于任何單一TTL數字輸出要求的值，一個高扇出TTL輸出可以驅動3-10個并聯的此類SSR。

在光耦合SSR中，靈敏度從6 mW（如3 v dc，2 mA）到 100 mW。使用合适的串聯電阻器或穩流器，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驅動多個光耦合SSR。

大多數“直接控制”SSR（圖4和圖5）的靈敏度遠遠低于隔離式設計的靈敏度，但這一事實并不重要，因為要求的控制功率幾乎總是在甚至最小的控制接觸器的能力範圍内。

SSR的最大斷開電平（電壓和/或電流）是其最小接通電平的50%左右。這一特點在“通”和“斷”狀态之間提供了充足的安全裕度，從而消除了由控制信号的小變化導緻的不穩定行為。

在許多SSR設計中，控制電壓範圍遠遠大于最小接通電壓包含的範圍。在針對寬輸入電壓範圍進行了優化的設計中，SSR額定用在6:1以上的控制電壓範圍（如3.0 V ~ 32 V）上的情況并不少見。在混合式設計中，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标稱值，高達50 V甚至更高，但混合式SSR可承受的輸入電壓範圍受繼電器線圈中的耗散影響。一般來說，1.5到1的範圍是可以接受的。另一方面，可以使用串聯電阻或一個“恒定電流”有源輸入電路來使混合式繼電器适應較高的輸入電壓。

輸入特性:除考慮靈敏度特性（第124頁）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，包括：

電介質強度：用從控制電路到SSR外殼和輸出（負載）電路的最小擊穿電壓來确定額定值。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。對于變壓器型和混合式設計，典型額定值範圍從 10 MΩ到100,000 MΩ。對于光學隔離SSR，典型絕緣電阻範圍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将交流和瞬變值反饋到敏感的控制電路，甚至進一步反饋到更遠的控制信号源。幸運的是，在精心設計的SSR中，這種電容極少能大到足以引起交互作用的程度。雜散電容的典型範圍為1 – 10 PF。

本節後面将講述SSR對控制電壓施加的響應速度。

輸出電路性能:顯然，最重要的輸出電路參數是在“ 斷”狀态下可以加在繼電器輸出電路上不會導緻其擊穿為導通或出故障的最大負載電路電壓，以及在“通”狀态下可以流過輸出電路和負載的最大電流。

請注意，這些參數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别，我們将随着本講解的進行在後面詳細研究這些差别。

在最普通的方法中，我們可以說SSR的“觸點額定值” 幾乎全由負載電流開關裝置的特性決定。也許從研究最簡單類型的交流SSR，即直接控制（非隔離）設計可以最明顯地反映這個事實，例如最初在圖4中所示，後面又在圖7中再次呈現并顯示了通斷狀态下的等效電路的設計。在“通”狀态（圖7b），三端雙向可控矽開關呈現出幾乎恒定的壓降（即幾乎與負載電流無關），該壓降約等于兩個矽二極管的壓降 – 小于2 V。負載電流流過此壓降導緻功率耗散(Pd = Vd x I負載)，此功率将導緻三端雙向可控矽開關結點中的溫度升高。如果提供了合适的“散熱”，即從三端雙向可控矽開關外殼到外面空氣或到導熱金屬結構的熱傳導，導熱金屬結構可以再将功率耗散到周圍空氣中，不會有明顯的升溫，則三端雙向可控矽開關的溫度将不會上升到保證可靠運行的額定最大值（一般為100?C）以上。具有充分的散熱時，SSR的額定電流可以不由功率耗散決定，而由三端雙向可控矽開關的額定電流決定。

圖7c顯示了這種非常簡單的SSR在“斷”狀态的等效電路。請注意，即使當三端雙向可控矽開關被切斷時，也會有非常少量的漏電流流過。該電流電路在等效電路中用電阻表示，實際上是負載電路電壓的非線性函數。在确定三端雙向可控矽開關的額定值時，通常習慣做法是為這一“切斷狀态漏電流”規定一個最壞情況下的最大值，對于5 A的負載額定電流，典型值為最大0.001 A。負載電路電壓的額定值較簡單，由晶閘管的阻斷電壓額定值決定。

更常用的隔離SSR（大多設計用于控制交流負載電路）的輸出電路額定值的确定與上述方法非常相似，隻是“ 切斷狀态漏電流”通常更高一些，對于一個5 A的裝置，在140 V時漏電流約為5 mA，仍然隻是額定負載電流的千分之一左右。圖7顯示了一個用三端雙向可控矽開關控制的SSR設計的等效電路，圖8顯示了負載電路中的電流波形，都分别顯示了“斷”狀态和“通”狀态的情況。請注意，“通”狀态壓降曲線的刻度範圍比“斷”狀态和負載電壓曲線寬得多。

即使在我們研究SSR性能的早期階段，也有必要考慮控制信号和交流負載電路電壓和電流之間的時間關系。

至于定時，有兩種類型的開關SSR。其中一種沒有采取特殊的措施來在負載電路-電源線路交變與可控矽開關接通之間實現同步。在這類“非同步”開關SSR中，控制電壓的施加和負載電路開始導通之間的響應延時非常短，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間而較長一些）。在非同步設計中，“通”狀态的電流波形顯然是交流循環中施加控制信号時的函數，如圖9a所示。

在同步（零電壓接通）設計中，施加控制信号的效果被延遲（如果需要），直到電源線路電壓通過零點（見圖 9b）。（這是由内部選通電路完成的，該電路感應線路電壓的量值，并在發生下一次零值跨越前阻止觸發半導體閘流管。） 因此，如果恰好在跨越零值後立即施加控制信号，SSR實際上将不開始導通，直到幾乎完整的半個周期後才導通。另一方面，如果恰好在剛要跨越零值前施加控制信号，SSR将幾乎立即導通，隻有很小的接通延遲（上面針對非同步設計所述）。那麼，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周期（對于60 Hz電源線路，約為8.3 毫秒）。通常，對于60 Hz的供電線，所有固态設計的額定延遲的最大值給定為8.3毫秒，混合式設計最大值給定為1.5毫秒。

AC開關SSR的最後一個主要特性是切斷行為。由于半導體閘流管在一旦觸發時并不立即停止導通，直到流過它的負載電流降為零時才停止導通，最大可能切斷延遲（控制信号撤消和負載電流停止之間）為半個周期。與接通時的情況一樣，最小切斷延遲接近于零。因此，典型 60 Hz線路切斷時間額定值為最大9毫秒。