作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

固態繼電器 (SSR) 越來越多地為各種不同的行業所廣泛使用，包括塑料、包裝、食品和飲料、暖通空調、半導體、可再生能源和傳統能源、石油和天然氣、運輸、印刷、實驗室、窯爐和烤箱、照明、醫療和運動控制等。SSR 經常被用來代替電磁繼電器 (EMR)，因為它們沒有活動部件，使用壽命長。此外，它們還不會因接觸表面存在電弧而受到接觸侵蝕和電氣干擾。

由于固態繼電器有多種配置，可支持各種負載類型，因此設計人員必須了解如何選擇固態繼電器來滿足預期用途。這一點在工業應用中尤為明顯，如控制電動機、水泵和風扇等感性負載的應用，需要與加熱和照明應用不同類型的繼電器，因為加熱和照明應用是阻性負載。

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

為什么使用 SSR？

工業和工廠自動化系統需要開關設備具有以下特性才能滿足要求：成本低、可靠性高、致動時間快且無觸點顫動或電弧、電磁干擾 (EMI) 最小、不易受惡劣環境影響以及耐機械沖擊和振動能力強等。SSR 在開關操作中使用半導體器件取代機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、抗潮濕、抗化學品腐蝕和耐灰塵的特性。因此，器件壽命長、可靠性高。

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

SSR 控制和負載規格

SSR 可使用交流或直流控制電壓進行控制。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 負載可以是交流或直流。SSR 的最大交流負載電壓高至 690 V AC ，額定交流電流為 125 A。直流額定值為 500 VDC 和 100 A。

電氣負載類型

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

像加熱器、烤箱、電爐、烘干機和燈具這樣的設備則屬于阻性負載。阻性負載的電壓和電流是同相位的。

容性負載可抵御負載電壓的變化。容性負載中的電流和電壓不同步，電流領先于電壓。大多數開關電源和一些醫療設備（如除顫器）都存在容性負載。當電壓首次施加到容性負載時，其阻抗非常低，因此會產生很大的浪涌電流。

每種負載的特性決定了控制負載所需的 SSR 類型。

SSR 的類型

常用的 SSR 有五種類型（圖 1）：零點開關或過零開關、瞬時導通或隨機開關、直流開關、峰值開關以及相位角或模擬開關。

圖 1：SSR 的類型區分依據在于 SSR 相對于線路電壓的開關時間。（圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.）

SSR 類型區分依據在于器件相對于線路電壓相位的開關時間。零點開關 SSR 是一種交流繼電器，在施加控制信號后當線路電壓第一次過零時開關負載。SSR 的開關時間最多為線路頻率的半個周期，因此對于 60 赫茲 (Hz) 的線路頻率而言，開關時間為 8.3 毫秒 (ms)。零點開關 SSR 主要用于阻性負載，以限制開關時的高浪涌電流。由于連接負載時線路電壓為零，因此阻性負載中的電流也為零。這種繼電器也適用于大多數感性和容性負載。

隨機開關或瞬時導通 SSR 也是一種交流繼電器，在施加控制電壓后會立即向負載供電。它在任何相位的線路電壓下都會接通。典型的響應延遲小于 1 ms。隨機開關繼電器用于感性負載。

直流開關 SSR 適用于直流電阻和電感應用。與隨機開關繼電器一樣，它在控制信號發出后立即連接負載。響應時間小于 100 微秒 (ms)。

峰值開關 SSR 在施加控制電壓后，在下一個線電壓峰值時開關。這些繼電器用于變壓器等重型感性負載。

相位角或模擬開關 SSR 讀取模擬控制信號的電壓。繼電器輸出的導通周期與控制電壓的幅值成正比。這種 SSR 用于閉環系統和應用，其中會使用軟啟動來限制浪涌電流。

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用需求。

極數

SSR 是單擲裝置，可以接通或斷開一個極。極數是指可控制的線路電壓數。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極，每個極用于每個 110 伏分量源。三相應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 的設計

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

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

RK2A60D50P 的額定輸出電壓為 660 V，輸出電流高達 50 A。該系列中的其他 SSR 可處理高達 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。該繼電器的兩個輸出端有一個共同的控制輸入端；該產品系列中的其他型號每個輸出端都有單獨的控制輸入端。施加控制電壓會啟動過零檢測器，在兩極線路過零時觸發反并聯晶閘管。

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

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。因此，繼電器的接通和斷開響應時間均小于 100 ms。該繼電器的開關速度為 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。

控制線路和負載之間的電隔離也可以通過變壓器耦合來實現。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 中的變壓器耦合實現了電隔離。（圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.）

這款直流開關 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。其隔離規格為 4,000 V RMS ，閉合時的開關響應時間為 <100 ms，打開時為 <250 ms。

工作溫度范圍

SSR 的開關電壓最高可達 660 V，電流可高至 100 A，且會產生大量熱量。開關時會耗散功率，此時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。環境溫度會影響固態繼電器的最大額定電流，溫度升高時必須降額使用。通常情況下，輸出電流為 5 A 或更小的 SSR 無需散熱器即可運行。如果繼電器安裝在金屬表面上，則限制電流會增加到 8 A。Carlo Gavazzi 提供與特定 SSR 型號相匹配的散熱器，可確保在任何散熱環境下都能發揮最佳性能。

安裝類型

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

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、零點開關、3PST SSR，輸出額定電壓為 660 V，電流為 55 A，由 4 VDC 至 32 VDC 的輸入信號控制。它采用模塊化機箱安裝系統，所有三個切換裝置都安裝在一個共同的底板上。使用導熱墊或散熱膏，將底板安裝到導熱表面上。

冰球式封裝 SSR 因其厚實的外形和密集的結構而得名。這種封裝結構堅固，因而更耐沖擊和振動，提高了在惡劣工業環境中的可靠性。圖 5（左二）所示的 RM1D060D50 就是一個使用冰球式封裝的 SSR 實例。

系統級封裝 (SIP) 模塊是將一個完整的電子子系統封裝在一個印刷電路板（PC 板）安裝的外殼中。前面討論過的 RP1D060D8 DC SSR 就是安裝在一個 4-SIP（四引腳）封裝中，如圖 5 所示（左起第三個）。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 導軌是機箱內用于安裝斷路器、電源和 SSR 等電氣設備的金屬導軌。Carlo Gavazzi [RGS1A60D50KKE]是一款 SPST、交流、零點開關 SSR，采用 DIN 導軌安裝，如圖 5 最右側所示。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，可實現緊湊安裝。雖然安裝導軌提供了一定的冷卻效果，但仍有與 DIN 導軌兼容的散熱器可供選擇。

結語

SSR 沒有活動部件，不會因接觸表面電弧而造成接觸侵蝕或電氣干擾，具有工業和工廠自動化所需的可靠性。而像 Carlo Gavazzi 這樣的供應商，可以提供范圍廣泛的 SSR 產品，通過他們可以簡化合適器件的選擇過程。在對 SSR 的運行、特性及其應用有了一定了解后，設計人員就能更有把握地找到符合設計要求的合適繼電器。