SSR的優(yōu)缺點(diǎn)及其最適合的應(yīng)用

自從三十多年前推出以來(lái)，固態(tài)繼電器 (SSR) 已經(jīng)取代了電磁繼電器 （EMR)，可用于要求超可靠、無(wú)電弧、低功耗運(yùn)行的開(kāi)關(guān)應(yīng)用。SSR 的其他優(yōu)點(diǎn)包括無(wú)噪聲運(yùn)行以及兼容數(shù)字控制電路。 但是，在要求苛刻的家居、商業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中——尤其是那些需要遵守國(guó)際電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用（例如 IEC 60947-4-3），需要認(rèn)真選擇繼電器，以確保繼電器產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI) 最小。某些產(chǎn)品可能會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，存在違反 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文將介紹 SSR 的優(yōu)缺點(diǎn)及其最適合的應(yīng)用。然后，在介紹 Sensata Technologies 的一系列低噪聲 SSR 之前，我們探討可能造成排放問(wèn)題的繼電器關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)人員可將其用于對(duì) EMI 敏感的商業(yè)、家居和醫(yī)療應(yīng)用。

EMR 對(duì)比 SSR

由于在吸合時(shí)會(huì)暴露于全電路電流下，因此使用開(kāi)關(guān)接通和切斷大功率電路是不切實(shí)際的。該開(kāi)關(guān)會(huì)在運(yùn)行期間產(chǎn)生危險(xiǎn)電弧，工作時(shí)發(fā)生過(guò)熱。這種解決方案是通過(guò)常規(guī)開(kāi)關(guān)接通和切斷低功率電路，從而觸發(fā)高功率電路。 這種布置的優(yōu)點(diǎn)之一就是由于減小了大功率電路所需的重型布線長(zhǎng)度，從而減少了成本和空間。

之所以具有這些優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)槔^電器可以安裝負(fù)載附近，可以使用較細(xì)的導(dǎo)線與低功率開(kāi)關(guān)連接。這種開(kāi)關(guān)通常位于更方便用戶使用的位置。另外，可將低功率電路與高功率電路電隔離。使用繼電器的例子包括商用烤箱、家用電器和醫(yī)療設(shè)備。 傳統(tǒng) EMR 使用由低功率電路供電的線圈來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，再由該磁場(chǎng)閉合（常開(kāi)）觸點(diǎn)。EMR 可以將交流或直流負(fù)載切換到其最大額定值。觸頭的接觸電阻隨著負(fù)載的增加而減小，從而減少了功耗并消除了散熱需求（圖 1）。

EMR 的主要優(yōu)勢(shì)在于低成本，以及在任何低于器件介電額定值的施加電壓下均能保證隔離。在大功率電路必須完全導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，不得由于泄漏電流造成用戶受傷的危險(xiǎn)，此時(shí)隔離就顯得尤其重要。如果預(yù)計(jì) AC 電源中會(huì)出現(xiàn)大浪涌電流或尖峰電壓，則 EMR 也是不錯(cuò)的選擇。 EMR 的主要缺點(diǎn)是潛在的 EMI 和磨損。由于觸點(diǎn)打開(kāi)和閉合時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生電弧，因此繼電器會(huì)產(chǎn)生明顯的 EMI。通常，這種級(jí)別很低，設(shè)計(jì)良好的 EMR 含有屏蔽結(jié)構(gòu)，會(huì)減少排放，但是在靠近 EMI 敏感型設(shè)備的區(qū)域中使用時(shí)仍需要注意。

因?yàn)?EMR 是機(jī)械設(shè)備，所以即使是設(shè)計(jì)和制造最好的產(chǎn)品也會(huì)最終出現(xiàn)磨損。大多數(shù)情況下，首先出現(xiàn)故障的是線圈并且由于觸點(diǎn)常開(kāi) (NO)，所以會(huì)導(dǎo)致器件處于故障安全狀態(tài)，從而使低功率電路與高功率電路隔離。也就是說(shuō)，現(xiàn)代 EMR 非常可靠，且通常情況下通過(guò)繼電器供電的設(shè)備會(huì)先出現(xiàn)磨損。

隨著用于切換大功率應(yīng)用的控制電路升級(jí)至數(shù)字電子設(shè)備，SSR 逐漸有了用武之地。顧名思義，SSR 是基于半導(dǎo)體的設(shè)備，因此非常適合通過(guò)基于微控制器的數(shù)字電路進(jìn)行電路監(jiān)控，尤其適合監(jiān)控開(kāi)關(guān)速度高的應(yīng)用。 SSR 克服了 EMR 的主要缺點(diǎn)。因?yàn)椴缓顒?dòng)部件，所以 SSR 不會(huì)發(fā)生磨損。這種設(shè)備通常執(zhí)行數(shù)千萬(wàn)個(gè)操作周期，但是當(dāng)它們發(fā)生故障時(shí)，通常處于“接通”位置，這可能會(huì)帶來(lái)安全隱患。SSR 在閉合或斷開(kāi)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧，這不僅使它們適合在危險(xiǎn)環(huán)境中使用，而且能消除大部分困擾 EMR 的 EMI 源頭。

SSR 也不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲，可在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，即使在高電壓下也能實(shí)現(xiàn)低功耗。隨著 SSR 的價(jià)格越來(lái)越低，從 EMR 到 SSR 的轉(zhuǎn)換已經(jīng)加速。 SSR 的主要缺點(diǎn)來(lái)自其作為半導(dǎo)體電路的基礎(chǔ)元器件。例如，當(dāng)“接通”時(shí)其電阻很大，從而導(dǎo)致數(shù)十瓦的功率耗散并由此產(chǎn)生熱量。為克服散熱難題，設(shè)計(jì)人員通常必須為其選擇一個(gè)堅(jiān)固耐用的散熱器，但這樣會(huì)增加解決方案的尺寸和重量。此外 SSR 還會(huì)受到環(huán)境熱量的影響，因此，高溫下使用時(shí)必須降低額定功率。如果內(nèi)部電路電阻對(duì)電源電壓的變化敏感，則內(nèi)部電路電阻也會(huì)產(chǎn)生電壓降，這可能造成負(fù)載問(wèn)題。在“打開(kāi)”狀態(tài)下，SSR 會(huì)產(chǎn)生一定的泄漏電流。這是高電壓下不希望出現(xiàn)的情況，甚至?xí)斐砂踩珕?wèn)題。此外，許多 SSR 要求最小負(fù)載才能正常運(yùn)行。

SSR 的基本工作原理

輸出開(kāi)關(guān)是 SSR 的關(guān)鍵部分。對(duì)于 AC 輸出繼電器，可以通過(guò)雙向可控硅或背對(duì)背可控硅整流器 (SCR) 來(lái)控制其輸出。SCR 解決方案的主要優(yōu)勢(shì)在于其快速 dv/dt 特性，尤其是在繼電器“打開(kāi)”時(shí)。 例如，當(dāng)一個(gè)帶三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)控制輸出的 SSR 關(guān)閉時(shí)，dv/dt 可能慢至 5 到 10 伏/毫秒 (v/ms)。dv/dt 緩慢特性可能會(huì)成為問(wèn)題，因?yàn)槿绻档碗娏鞯?di/dt（和/或重新施加電壓的 dv/dt）深度不夠，則雙向可控硅可能會(huì)在 AC 電源穿過(guò)零電流/電壓點(diǎn)后導(dǎo)通。這種事件會(huì)使輸出不穩(wěn)定并能增加 EMI。 相比之下，SCR 的 dv/dt 約為 500 伏/微秒 (v/μs），過(guò)零點(diǎn)之后不會(huì)導(dǎo)通。

帶 SCR 的 SSR 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與單個(gè)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)器件相比，這些組件分散在更大的范圍內(nèi)，因此散熱效果更好。本文的其余部分將介紹具有背對(duì)背 SCR 輸出級(jí)的 SSR。 圖 2 顯示了使用 SCR 的基本 SSR。AC 輸出 SSR 通常采用 AC 線路供電。當(dāng) S1（由輸入電路控制）閉合時(shí)，SCR1 和 SCR2 各自的柵極連接，AC 電源的電流流經(jīng) R1 或 R2 并進(jìn)入任何一個(gè)正向偏置的 SCR 柵極。這樣，SCR 就會(huì)打開(kāi)，繼電器導(dǎo)通，向負(fù)載供電。對(duì)于 AC 電源的每個(gè)半個(gè)周期，SCR 會(huì)交替導(dǎo)通，向負(fù)載提供電流。當(dāng) S1 打開(kāi)時(shí)，無(wú)論哪個(gè) SCR 處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，都將繼續(xù)導(dǎo)通，直到 SCR 變?yōu)椤皵嚅_(kāi)”時(shí) AC 電流達(dá)到零。此時(shí)，另一個(gè) SCR 阻止任何柵極電流流入，繼電器斷開(kāi)，并且負(fù)載電源切斷。

現(xiàn)代 SSR 通常依靠光耦合器將低功率和高功率電路隔離。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)有兩個(gè)關(guān)鍵選擇：使用基于 LED/光電晶體管的光耦合器或結(jié)合了 LED 和光電隔離開(kāi)關(guān)的器件。光電晶體管所需的控制電流較少且節(jié)省空間，也確實(shí)為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了更多配置控制電路特性的機(jī)會(huì)。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是其成本較低。圖 3 所示為由光電隔離開(kāi)關(guān)控制的繼電器原理圖。

用于低 EMI 環(huán)境的 SSR

對(duì)于 EMI 敏感性應(yīng)用，具有 SCR 控制輸出的 SSR 將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)檫@些器件的固有噪聲低。對(duì) EMI 特別敏感的應(yīng)用，如要求使用符合 IEC 60947-4-3 標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的一類應(yīng)用，更應(yīng)選擇超低噪聲產(chǎn)品。對(duì)于這些應(yīng)用而言，僅在 AC 電壓超過(guò)零電壓點(diǎn)時(shí)（無(wú)論輸入何時(shí)激活）才打開(kāi) SSR 是非常不錯(cuò)的選擇。 這些所謂的過(guò)零器件能在 AC 輸出處于中間周期的同時(shí)，消除接通大功率電路時(shí)可能產(chǎn)生的浪涌電流和電壓尖峰。這樣會(huì)降低 EMI 的發(fā)生率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意，盡管過(guò)零 SSR 特別適合于阻性負(fù)載（例如加熱器），但卻不適合高感性負(fù)載。

對(duì)于此類應(yīng)用，更好的選擇是所謂的隨機(jī)開(kāi)關(guān)式 SSR。這些器件會(huì)在輸入開(kāi)關(guān)被激活時(shí)立即執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，而不是等待 AC 電源達(dá)到零。 提供 Sensata-Crydom 品牌 SSR 的 Sensata Technologies 最近為其 LN 系列 AC 輸出低噪聲范圍 SSR 新推三種產(chǎn)品。LND4425 可向輸出提供 25 安培 (A) 電流，LND4450提供 50 A，LND4475 提供 75 A。這種器件需要最小 100 毫安 rms (mArms) 負(fù)載電流即可穩(wěn)定運(yùn)行，其外形只有“冰球”大小且重約 75 克 (g)（圖 4）。所有這三種解決方案均提供 48 - 528 V 交流輸出，采用 4.8 - 32 V DC 控制電壓。這些器件內(nèi)置輸入/輸出過(guò)壓保護(hù)，從輸入到輸出的介電強(qiáng)度為 3500 Vrms。

LN 系列工作時(shí)具有最低 EMI。該系列通過(guò)輸入端帶有光電隔離開(kāi)關(guān)的光耦合器和背對(duì)背 SCR 進(jìn)行輸出控制，以克服由于 dv/dt 緩慢產(chǎn)生的潛在 EMI。背靠背 SCR 的 dv/dt 為 500 V/μs。該產(chǎn)品還具有獲得專利的觸發(fā)電路，可實(shí)現(xiàn) EMI 最小的阻式負(fù)載切換。LN 系列 SSR 的原理圖如圖 5 所示。

有了這些 EMI 減緩功能，器件將最終符合 IEC60947-4-3 環(huán)境 B 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于低壓家庭、商業(yè)和輕工業(yè)場(chǎng)所的規(guī)定（圖 6）。

LN 系列特別適合諸如商用烤箱加熱器等應(yīng)用，如圖 7 所示。

結(jié)論

繼電器是使用低功率激活電路切換高功率電路的簡(jiǎn)單且成熟的解決方案。在需要低成本解決方案的情況下，EMR 將是很好的選擇，但不適用于高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用和 EMI 敏感區(qū)域。SSR 成本高，但實(shí)現(xiàn)了工作穩(wěn)定，無(wú)磨損，而且尤其兼容通過(guò)數(shù)字電子器件進(jìn)行控制。然而與 EMR 相比，設(shè)計(jì)人員應(yīng)意識(shí)到選擇 SSR 時(shí)會(huì)在同類應(yīng)用產(chǎn)生較大的散熱，這是更高棘手的難題。 盡管所有類型的 SSR 都具有比 EMR 更低的EMI，但某些設(shè)計(jì)仍難以滿足 EMC 法規(guī)要求，例如 IEC60947-4-3 環(huán)境 B 規(guī)范的規(guī)定。如圖所示，該解決方案是將 SSR 與背對(duì)背 SCR 輸出級(jí)一起使用。這些器件提供過(guò)零開(kāi)關(guān)，因此只發(fā)生超低射頻輻射，從而更容易滿足法規(guī)要求。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：如何使用特種低噪聲固態(tài)繼電器抑制 EMI 并滿足關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)

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