基于MOSFET的固态继电器电路

SSR 或固态继电器是高功率电气开关，无需机械触点即可工作，而是使用 MOSFET 等固态半导体来切换电气负载。

SSR 可用于通过电流可忽略不计的小输入触发电压来操作高功率负载。

这些器件可用于操作高功率交流负载以及直流负载。

与机电继电器相比，固态继电器具有一些独特的功能，因此效率很高。

SSR的主要特点和优势

固态继电器或 SSR 的主要特点和优点是：

SSR 可以使用最少数量的普通电子部件轻松构建

由于没有机械触点，它们在没有任何形式的咔嗒声的情况下工作。

固态也意味着 SSR 的开关速度比传统的机电类型快得多。

SSR 不依赖外部电源接通，而是从负载本身提取电源。

它们使用可忽略不计的电流工作，因此不会耗尽电池供电系统中的电池电量。这也确保了器件的空闲电流可以忽略不计。

使用 MOSFET 的基本 SSR 工作概念

在我之前的一篇文章中，我解释了如何使用基于MOSFET的双向开关来操作任何所需的电气负载，就像标准机械开关一样，但具有非凡的优势。

相同的 MOSFET 双向开关概念可用于制造理想的 SSR 器件。

基本固态继电器设计

在上面显示的基本SSR设计中，我们可以看到几个适当额定值的MOSFET T1和T2背靠背连接，它们的源极和栅极端子相互连接。

D1 和 D2 是横跨相应 MOSFET 漏极/拉极的内部体二极管。

在两个MOSFET的公共栅极/源极端子上也可以看到一个输入直流电源。该电源用于触发 MOSFET 导通，或在 SSR 单元工作时使能 MOSFET

的永久导通。

可达到电网电源电平的交流电源和负载串联在MOSFET的两个漏极上。

工作原理

建议出售状态继电器的工作原理可以参考下图和相应的细节来理解：

通过上述设置，由于输入栅极电源连接，T1和T2都处于开关ON位置。当负载侧交流输入接通时，左图显示了正半周期如何通过相关的MOSFET/二极管对（T1、D2）导通，右侧图显示了负交流周期如何通过另一个互补的MOSFET/二极管对（T2、D1）传导。

在左图中，我们发现其中一个交流半周期通过T1和D2（T2反向偏置），最后通过负载完成循环。

右侧图显示了另一个半周期如何通过传导负载T2，D1（在这种情况下T1反向偏置）在相反方向上完成电路。

通过这种方式，两个 MOSFET T1、T2 及其各自的漏极/源极体二极管 D1、D2 允许交流电的两个半周期导通，完美地为交流负载供电，并有效地完成

SSR 作用。

制作实用的 SSR 电路

到目前为止，我们已经了解了SSR的理论设计，现在让我们继续前进，看看如何构建一个实用的固态继电器模块，用于切换所需的高功率交流负载，而无需任何外部输入直流。

上述SSR电路的配置方式与前面基本设计中讨论的方式完全相同。但是，这里我们发现了两个额外的二极管D1和D2，以及MOSFET内部体二极管D3，D4。

二极管D1、D2是为特定目的而引入的，使得它与D3、D4 MOSFET体二极管一起形成桥式整流器。

微小的开关可用于打开/关闭 SSR。该开关可以是磁簧开关或任何低电流开关。

对于高速开关，您可以用光耦合器替换开关，如下所示。

从本质上讲，该电路现在满足 3 个要求。

它通过 MOSFET/二极管 SSR 配置为交流负载供电。

由D1---D4形成的桥式整流器同时将负载交流输入转换为整流和滤波直流，该直流用于偏置MOSFET的栅极。这允许 MOSFET

通过负载交流本身适当导通，而无需依赖任何外部直流电。

整流后的直流进一步端接为辅助直流输出，可用于为任何合适的外部负载供电。

电路问题

仔细观察上述设计表明，这种 SSR

设计可能在有效实现预期功能方面存在问题。这是因为，当开关直流到达MOSFET的栅极时，它将开始导通，导致电流通过漏极/源极旁路，从而耗尽栅极/源极电压。

让我们考虑一下MOSFET T1。一旦整流直流开始到达T1的栅极，它将从4

V左右开始右转，导致电源通过其漏极/源极产生旁路效应。此时，直流将难以在齐纳二极管上上升并开始下降到零。

这反过来会导致 MOSFET 关断，MOSFET 漏极/源极和 MOSFET 栅极/源极之间将发生持续的僵持式斗争或拉锯战，从而阻止 SSR

正常工作。

解决方案

上述问题的解决方案可以使用以下示例电路概念来实现。

这里的目标是确保MOSFET在齐纳二极管或MOSFET栅极/源极两端产生最佳的15 V电压之前不会导通

运算放大器确保其输出仅在直流线路超过15 V齐纳二极管基准电压阈值时触发，从而使MOSFET栅极能够获得最佳的15 V DC导通。

与IC 3引脚741相关的红线可以通过光耦合器切换，以便从外部电源进行所需的切换。

工作原理：如我们所见，运算放大器的反相输入与15V齐纳二极管相连，后者构成运算放大器引脚2的基准电平。Pin3是运算放大器的同相输入，与正极线连接。这种配置可确保运算放大器的输出引脚6仅在其引脚15电压达到3

V标记以上时产生15V电源 该操作可确保MOSFET仅通过有效的15 V最佳栅极电压导通，从而使SSR能够正常工作。

隔离开关

任何 SSR 的主要特性是使用户能够通过外部信号对设备进行隔离切换。

通过此功能可以促进上述基于运算放大器的设计，如以下概念所示：

二极管如何像桥式整流器一样工作

在正半周期内，电流通过D1、100k、齐纳、D3并返回交流电源。

在另一个半周期中，电流通过D2，100k，齐纳，D4并返回交流电源。