如何选择符合应用要求的固态继电器

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美编辑

固态继电器 (SSR) 越来越多地为各种不同的行业所广泛使用，包括塑料、包装、食品和饮料、暖通空调、半导体、可再生能源和传统能源、石油和天然气、运输、印刷、实验室、窑炉和烤箱、照明、医疗和运动控制等。SSR 经常被用来代替电磁继电器 (EMR)，因为它们没有活动部件，使用寿命长。此外，它们还不会因接触表面存在电弧而受到接触侵蚀和电气干扰。

由于固态继电器有多种配置，可支持各种负载类型，因此设计人员必须了解如何选择固态继电器来满足预期用途。这一点在工业应用中尤为明显，如控制电动机、水泵和风扇等感性负载的应用，需要与加热和照明应用不同类型的继电器，因为加热和照明应用是阻性负载。

本文将简要讨论为什么 SSR 是工业和工厂自动化的绝佳选择。然后以 [Carlo Gavazzi]的器件为例，介绍了这些器件的用途、特点以及如何为应用选择这些器件。

为什么使用 SSR？

工业和工厂自动化系统需要开关设备具有以下特性才能满足要求：成本低、可靠性高、致动时间快且无触点颤动或电弧、电磁干扰 (EMI) 最小、不易受恶劣环境影响以及耐机械冲击和振动能力强等。SSR 在开关操作中使用半导体器件取代机械继电器的电枢和触头，从而满足了这些要求。由于 SSR 是全封闭的，因此还具有抗冲击、抗振动、抗潮湿、抗化学品腐蚀和耐灰尘的特性。因此，器件寿命长、可靠性高。

因此在为应用选择 SSR 时，需要了解所控制的负载和 SSR 的基本特性，以便让应用需求与继电器规格相匹配。

SSR 控制和负载规格

SSR 可使用交流或直流控制电压进行控制。直流控制使用低电压，通常为 4 V 至 32 V。它们还可以使用 4 mA 至 20 mA 电流回路或 1 VDC 至 10 VDC 模拟输入。交流控制使用的电压范围为 24 VAC 至 275 V AC 。

SSR 负载可以是交流或直流。SSR 的最大交流负载电压高至 690 V AC ，额定交流电流为 125 A。直流额定值为 500 VDC 和 100 A。

电气负载类型

电气负载按其主要电气特性进行分类。电机、风扇和泵都属于感性负载。负载电流和电压不同步，电流滞后于电压。感性负载会通过产生一种称为反电动势 (EMF) 的反电压电位来抵消其负载电流的变化。与感性负载一起使用的固态继电器必须能够承受这些电压。

像加热器、烤箱、电炉、烘干机和灯具这样的设备则属于阻性负载。阻性负载的电压和电流是同相位的。

容性负载可抵御负载电压的变化。容性负载中的电流和电压不同步，电流领先于电压。大多数开关电源和一些医疗设备（如除颤器）都存在容性负载。当电压首次施加到容性负载时，其阻抗非常低，因此会产生很大的浪涌电流。

每种负载的特性决定了控制负载所需的 SSR 类型。

SSR 的类型

常用的 SSR 有五种类型（图 1）：零点开关或过零开关、瞬时导通或随机开关、直流开关、峰值开关以及相位角或模拟开关。

图 1：SSR 的类型区分依据在于 SSR 相对于线路电压的开关时间。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

SSR 类型区分依据在于器件相对于线路电压相位的开关时间。零点开关 SSR 是一种交流继电器，在施加控制信号后当线路电压第一次过零时开关负载。SSR 的开关时间最多为线路频率的半个周期，因此对于 60 赫兹 (Hz) 的线路频率而言，开关时间为 8.3 毫秒 (ms)。零点开关 SSR 主要用于阻性负载，以限制开关时的高浪涌电流。由于连接负载时线路电压为零，因此阻性负载中的电流也为零。这种继电器也适用于大多数感性和容性负载。

随机开关或瞬时导通 SSR 也是一种交流继电器，在施加控制电压后会立即向负载供电。它在任何相位的线路电压下都会接通。典型的响应延迟小于 1 ms。随机开关继电器用于感性负载。

直流开关 SSR 适用于直流电阻和电感应用。与随机开关继电器一样，它在控制信号发出后立即连接负载。响应时间小于 100 微秒 (ms)。

峰值开关 SSR 在施加控制电压后，在下一个线电压峰值时开关。这些继电器用于变压器等重型感性负载。

相位角或模拟开关 SSR 读取模拟控制信号的电压。继电器输出的导通周期与控制电压的幅值成正比。这种 SSR 用于闭环系统和应用，其中会使用软启动来限制浪涌电流。

其他 SSR 类型，即上述 SSR 的变体，使用得较少，主要用来满足特殊应用需求。

极数

SSR 是单掷装置，可以接通或断开一个极。极数是指可控制的线路电压数。单相交流线路或直流线路需要单极 SSR。220 伏单相线路需要两个极，每个极用于每个 110 伏分量源。三相应用则需要三极继电器。

继电器分为单极单掷 (SPST)、双极单掷 (DPST) 或三极单掷 (3PST)。

SSR 的设计

固态继电器的功能框图因交流或直流应用而异。用于双极交流应用的 SSR，如 Carlo Gavazzi 的 [RK2A60D50P]DPST 零点开关继电器（图 2），使用晶闸管作为控制设备。

图 2：所示为用于交流应用的 RK2A60D50P DPST 固态继电器的功能框图。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

RK2A60D50P 的额定输出电压为 660 V，输出电流高达 50 A。该系列中的其他 SSR 可处理高达 75 A 的输出电流。它需要 4 VDC 至 32 VDC 的控制电压。与所有 SSR 一样，它使用光耦合器确保控制电压源与 4,000 VRMS 线路之间的电气隔离。该继电器的两个输出端有一个共同的控制输入端；该产品系列中的其他型号每个输出端都有单独的控制输入端。施加控制电压会启动过零检测器，在两极线路过零时触发反并联晶闸管。

直流应用是单极应用，使用晶体管作为主要开关器件。Carlo Gavazzi [RM1D060D50] SPST DC SSR 的功能框图（图 3）显示了这一点。

图 3：所示为 RM1D060D50 DC SPST SSR 的功能框图；DC SSR 使用晶体管作为主要开关器件。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

该器件可处理 1 VDC 至 60 VDC 的输出电压和 50 A 的输出电流。该系列 SSR 具有可处理 500 VDC 电压和 100 A 电流的继电器。由于线路是单极直流，因此使用 MOSFET 作为主开关。因此，继电器的接通和断开响应时间均小于 100 ms。该继电器的开关速度为 1,000 Hz，使用的直流控制电压范围为 4 VDC 至 32 V DC 。该产品系列中的其他器件可提供最高 280 V 的交流控制电压。控制电压与线路之间也具有 3750 VRMS 的电隔离。

控制线路和负载之间的电隔离也可以通过变压器耦合来实现。在 Carlo Gavazzi [RP1D060D8] 的框图（图 4）中显示了这种隔离方式，它使用通过射频变压器耦合的调制射频源，在输入和输出之间提供电隔离。

图 4：RP1D060D8 中的变压器耦合实现了电隔离。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

这款直流开关 SSR 的额定电压为 350 V DC ，电流为 8 A。它使用 4.25 VDC 至 32 VDC 的直流控制电压。它采用 4-SIP 封装，四个通孔引脚的间距为 0.1"。它与上述其他 SSR 的不同之处在于，其体积更小，并使用变压器耦合来隔离输入和输出。其隔离规格为 4,000 V RMS ，闭合时的开关响应时间为 <100 ms，打开时为 <250 ms。

工作温度范围

SSR 的开关电压最高可达 660 V，电流可高至 100 A，且会产生大量热量。开关时会耗散功率，此时通过继电器的电流和两端的电压都不为零。必须使用散热器将这些热量从继电器中带走。环境温度会影响固态继电器的最大额定电流，温度升高时必须降额使用。通常情况下，输出电流为 5 A 或更小的 SSR 无需散热器即可运行。如果继电器安装在金属表面上，则限制电流会增加到 8 A。Carlo Gavazzi 提供与特定 SSR 型号相匹配的散热器，可确保在任何散热环境下都能发挥最佳性能。

安装类型

SSR 提供各种封装样式（图 5），以适应不同的应用。大多数安装类型要求继电器固定在导热表面或散热器上，以控制设备的温度。

图 5：所示为 SSR 的常见安装配置示例。（图片来源：Carlo Gavazzi Inc.）

Carlo Gavazzi [RZ3A60D55]（左）是一款交流、零点开关、3PST SSR，输出额定电压为 660 V，电流为 55 A，由 4 VDC 至 32 VDC 的输入信号控制。它采用模块化机箱安装系统，所有三个切换装置都安装在一个共同的底板上。使用导热垫或散热膏，将底板安装到导热表面上。

冰球式封装 SSR 因其厚实的外形和密集的结构而得名。这种封装结构坚固，因而更耐冲击和振动，提高了在恶劣工业环境中的可靠性。图 5（左二）所示的 RM1D060D50 就是一个使用冰球式封装的 SSR 实例。

系统级封装 (SIP) 模块是将一个完整的电子子系统封装在一个印刷电路板（PC 板）安装的外壳中。前面讨论过的 RP1D060D8 DC SSR 就是安装在一个 4-SIP（四引脚）封装中，如图 5 所示（左起第三个）。这种 SSR 可控制 8 A 或以下的输出电流，无需散热器即可安装在电路板上。

DIN 导轨是机箱内用于安装断路器、电源和 SSR 等电气设备的金属导轨。Carlo Gavazzi [RGS1A60D50KKE]是一款 SPST、交流、零点开关 SSR，采用 DIN 导轨安装，如图 5 最右侧所示。其输出电压为 660 V，电流为 50 A。它使用直流控制线路，电压范围为 4 VDC 至 32 V DC 。DIN 模块仅宽 17.5 mm，可实现紧凑安装。虽然安装导轨提供了一定的冷却效果，但仍有与 DIN 导轨兼容的散热器可供选择。

结语

SSR 没有活动部件，不会因接触表面电弧而造成接触侵蚀或电气干扰，具有工业和工厂自动化所需的可靠性。而像 Carlo Gavazzi 这样的供应商，可以提供范围广泛的 SSR 产品，通过他们可以简化合适器件的选择过程。在对 SSR 的运行、特性及其应用有了一定了解后，设计人员就能更有把握地找到符合设计要求的合适继电器。