固體繼電器技術特點、應用與發(fā)展

概述

???? 固體繼電器（SSR）是繼電器技術發(fā)展的一大趨勢，也是近幾年市場需求增長最快的繼電器，在全球繼電器中的比例約為8%。據(jù)預測，2001-2004年世界固體繼電器年均增長率約為8.4%。受測試設備、工業(yè)控制系統(tǒng)及PC應用的刺激，2003年對工業(yè)用SSR的需求增長兩倍左右。通訊、微處理器控制及安全設備用的SSR需求增長20%以上。據(jù)Frost & Sullivan報告，有從機電繼電器轉(zhuǎn)向較貴的固體繼電器趨勢。

???? 固體繼電器的主要優(yōu)點是：

（1） 無運動零部件，無機械磨損，無動作噪聲，無機械故障，可靠性高；

（2） 無燃弧觸點，無觸點間的火花、電弧，無觸點抖動和磨損，對外干擾小；

（3） 開關速度迅速，動作時間可達10-3S以下；

（4） 靈敏度高，控制功率小，可達10-3以下，能很好地與TTL、CMOS電路兼容；

（5） 抗沖擊振動性能優(yōu)良，容易實現(xiàn)“零”壓切換；

（6） 一般用絕緣材料灌封成全封閉整體，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，防爆性能也極佳；

（7） 半導體器件作為開關工作，壽命長；

（8） 易實現(xiàn)附加功能。

正因為SSR具有上述突出優(yōu)點，其應用在不斷擴大。

與電磁斷電器相比，SSR有以下弱點：

（1） 固體“觸點”導通時有一定的壓降，可達1-2V，消耗一定的功率，直接影響SSR所控制的最大負電流和所允許的最高環(huán)境溫度，過載能力差，易導致熱損壞；

（2） 固體“觸點”斷開時存在一定的漏電流，使輸出回路不能真正斷電；

（3） 易受溫度和幅射影響，參數(shù)穩(wěn)定性能差。由于它對瞬態(tài)失誤極敏感，有時要求附加保護器件；

（4） 一般來說，體積比機電式繼電器大，價格貴，對功率負載，還要加裝散熱片，進一步增加了空間與成本；

（5） 實現(xiàn)多組和多組轉(zhuǎn)換較為困難；

（6） 直流SSR一般分正極和負極輸出端，使用中通用性差；

（7） 通、斷阻抗比遠小于有觸點開關，抗干擾能力差。

??? 這些弱點的存在，使SSR的應用在一些方面受到限制。因而，SSR和機電繼電器將會較長期共存，互為補充、相互促進、結(jié)合發(fā)展，兩者將以各自的獨特的優(yōu)點，在其最適合的領域里得到廣泛的應用。

?? SSR在美國和日本發(fā)展較快。在美國SSR占其繼電器市場份額達10%以上。而我國僅占繼電器市場1%左右，市場潛力較大。據(jù)預測，我國SSR市場將以每年20%的速度遞增，主要在電信、航空電子、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制系統(tǒng)、辦公設備、汽車控制開關和測試設備、儀表等領域應用。

???? 固體繼電器使用中應注意的問題

???? SSR性能參數(shù)測試時應注意以下幾點：

1）測試直流SSR接通和關斷電壓時，輸入電壓不能長時間處于接通與關斷之間，否則輸出端功耗急劇上升，容易燒壞輸出開關元件。

2）測試中不要隨意加快動作速率（一般輸入信號的一個周期長應為接通和關斷時間之和的10倍以上）,否則因動態(tài)開關損耗大無法工作，甚至燒壞輸出開關元件。

3）測試時，首先要了解輸出電流與殼溫（環(huán)境溫度）之間的關系曲線（殼溫上升或不帶散熱器時額定輸出電流會下降），避免過載引起永久性失效。

4）SSR在關斷狀態(tài)下輸出兩端不能實現(xiàn)完全的隔離，存在一定的漏電流,在較高電壓下測試介質(zhì)耐壓和絕緣電阻在使用時，易發(fā)生觸電事故。輸出兩端絕不可測試絕緣電阻或耐壓。

SSR使用中應注意的問題

1）在實際使用時，必須使產(chǎn)品的實際使用條件完全符合產(chǎn)品各項參數(shù)和特性曲線的要求。

2）SSR受溫度影響較大，使用時要考慮好散熱(一般負載電流>5A時應裝散熱片)，當環(huán)境溫度高時，SSR的負載能力必然相應下降，因此選用SSR時須留有一定的余量。

3）當繼電器處于導通狀態(tài)時，將承受P=V（管壓降）×I（負載）的耗散功率。因此必須根據(jù)實際工作環(huán)境，合理選用散熱器的尺寸或降低負載電流使用。

4）SSR不允許過壓過流工作。由于白熾燈、電爐等負載的“冷阻”特性，將導致開通瞬間的浪涌電流（一般為額定負載電流的7倍或更大）。對此類負載，負載能力應留有充分的余量。

5）在實際運行中負載短路極易造成繼電器損壞。應采用快速熔斷器和空氣開關保護，避免因負載短路造成繼電器損壞。

6）輸入工作電壓的波動系數(shù)應保證在5%以內(nèi)。

7）為了確保繼電器正常工作，環(huán)境溫度較低時應適當增大輸入電流，溫度較高時應適當減小輸入電流值。

8）若輸入電壓過高，接近或超過極限時，可外接限流電阻。

9）若用IC直接驅(qū)動繼電器輸入時，應有足夠的負載能力和盡可能低的“0”電平輸入。

輸出端工作條件：

為確保SSR可靠工作，必須正確使用繼電器的最大極限參數(shù)和采取必要的保護方法。

1） 峰值電壓選擇：對于不同性質(zhì)的負載應正確選擇繼電器的最大峰值電壓。

電感負載：應選取線路電壓（有效值）的2-3倍。

純電阻負載：應選取線路電壓（有效值）的1.5-2倍。

2） 輸出端RC浪涌吸收回路：繼電器的內(nèi)部裝有RC浪涌吸收網(wǎng)絡?？筛鶕?jù)實際需要外接RC吸收網(wǎng)絡。

3） 電源端使用RC浪涌吸收回路：以消除電網(wǎng)在切換時產(chǎn)生的瞬變電壓對繼電器造成的損壞。

4） SSR開路時，開路電阻不是無窮大，產(chǎn)生一定的漏電流，設計線路時要注意到。

SSR常見失效及原因分析

1）、繼電器不斷開：

（1） 負載電流大于SSR的額定切換電流，這樣會使繼電器永久短路，此時應使用額定電流較大的SSR。

（2） 在繼電器所處的環(huán)境溫度下，對于所承受的電流來說如散熱不良，會損壞輸出半導體器件，此時應使用較大的或更有效的散熱片。

（3） 線電壓瞬變引起SSR輸出部分穿通，此時應使用額定電壓較高的SSR或提供額外的瞬態(tài)保護電路。

（4） 使用的線電壓高于SSR的額定電壓。

2）、切斷輸入后SSR才斷開：

???? 在SSR應該斷開的時候，測量輸入電壓，如果測得的電壓低于必須釋放電壓，表明斷電器的釋放電壓太低，應更換繼電器如果測得的電壓高于SSR的必須釋放電壓，則是SSR輸入端前面的線路有問題，必須改正。

3）、繼電器不導通

（1） 在繼電器應該導通時，測量輸入電壓，如果該電壓低于必須動作電壓，表明SSR輸入端前面的線路有問題；如果輸入電壓高于必須動作電壓，查對電源極性并在必要時加以更正。

（2） 測量SSR的輸入電流，如無電流，則系SSR開路，該繼電器有故障；如果有電流，但低于繼電器的動作值，是SSR前面的線路有問題，必須改正。

（3） 檢查SSR的輸入部分，測量SSR輸出兩端的電壓，如果電壓低于1V，表明繼電器以外的線路或負載開路并應進行修理；如果存在線電壓，則可能是負載短路，使電流過大引起繼電器失效。

繼電器工作不規(guī)則

1） 檢查所有接線是否正確、連接不牢或不正確產(chǎn)生的故障。

2） 檢查輸入和輸出的引線是否在一起。

3） 對于非常靈敏的SSR，噪聲也能耦合到輸入端而引起不規(guī)則導通。

交流電動機或螺線管負載造成顫動

由于交變的dv/dt問題，SSR可以有半周波動，此時，采用緩沖器是有幫助的。

固體繼電器技術發(fā)展趨勢

?? SSR一般由三個部分組成：輸入（控制電路）部分、隔離（或耦合）部分和輸出（或負載電路）部分。與機電繼電器相比，耦合部分是固態(tài)繼電器關鍵之一。按隔離形式SSR分為光隔離型與磁隔離型。

??? 光隔離式和變壓器式隔離直流性能比較如表1所示。光隔離式線路簡單，可以做到全硅化，輸入電壓范圍大，靈敏度高，輸出線路可以構成多種形式，但由于光耦中的發(fā)光二極管老化效應和受溫度影響圈套，使其壽命和可靠性受到一定限制。光MOS繼電器被認為是第三代SSR，其主要優(yōu)點在于泄漏電流小，1/0隔離性好，輸出特性優(yōu)良；變壓器隔離因是永久性器件，無明顯老化，其可靠性、溫度范圍、反應時間等都比光電隔離式優(yōu)越。但因其有振蕩電路，在激勵期間一直在幅射電磁能，對外形成電磁干擾。

?? 我國SSR的主要生產(chǎn)廈門宏發(fā)電聲有限公司、廠家有青島大星電子有限公司、北京科通電子繼電器總廠、蘇州半導體廠、咸海新佳電子公司、北京希漫頓自動化研究所，陜西群力無線電器材廠（792廠）、江蘇高郵市東郊自動控制器件廠、北京特立電子有限公司、北京如春新技術開發(fā)研究所、上海超誠電子技術研究所、桂林航天電器公司、無錫市固態(tài)繼電器廠、無錫市康裕電器元件廠、蘇州無線電元件一廠、衢州電子繼電器研究所、杭州朗寧電子有限公司、樂清市利爾清繼電器有限公司、寧波陽明機電有限公司、齊齊哈爾電子半導體器件廠等。

??? 從SSR設計技術來講，各生產(chǎn)廠家的差異主要在線路設計、芯牌制造工藝及控制?？v觀全球，SSR技術發(fā)展方向：①減小導通電阻，擴大應用范圍。②降低大功率SSR的成本。目前，電功率SSR的售價已下降50%左右。③微小型化。SE系列SSR的質(zhì)量僅4g。④高速化。⑤高壓/大電流牌式化。⑥耐高壓/大電流的三相繼電器電壓240V-480V電流通渠道50-150A，帶有AC/DC控制和零電壓開關。⑦開發(fā)特殊用途的SSR，如高可靠性SSR（耐振動、沖擊、抗輻照等）、高溫SSR（125℃、200℃）、射頻SSR、高壓SSR（10萬V）、高絕子元SSR（1015Ω）等。

??? SSR目前重點是開發(fā)低價位、高可靠、小型化家電用SSR、汽車用SSR、大功率SSR、智能化SSR及特種SSR。

??? 我國已將SSR列為新型電子元器件“十五”發(fā)展重點。隨著電子技術、光電子技術的SSR性能不斷提高，導通電阻降至? 以下，斷路漏電流1WA以下，天并時間降至10us以下，負載能力直流達1000A，可實現(xiàn)多組轉(zhuǎn)換。