一、固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)及電參數(shù)說明
SSR的結(jié)構(gòu)一般是控制電路在上，功率輸出組件在下?？刂齐娐贩譃榉至⑵骷蚐MT表面貼裝工藝，功率輸出組件可分為塑封硅工藝和單硅芯片并聯(lián)工藝。一般10-40A SSR采用塑封雙向硅封裝，50-100A的SSR采用塑封單向硅反并聯(lián)封裝，單向硅反并聯(lián)的技術(shù)指標(biāo)要好于雙向硅工藝。最先進(jìn)的是采用SCR芯片反并聯(lián)焊接工藝的SSR，它的特點(diǎn)是阻斷電壓高，過載能力強(qiáng)，散熱條件好，抗沖擊能力強(qiáng)，電流可達(dá)上千安培，因此國外工業(yè)先進(jìn)國家大多采用該工藝。
二、固態(tài)繼電器主要由輸入電路、驅(qū)動電路和輸出電路三部分組成
輸入電路是為輸入控制信號提供一個回路，分為直流輸入和交流輸入，直流輸入又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線性正向變化，恒流輸入電路，在輸入電壓達(dá)到預(yù)置值后，輸入控制電流不再隨電壓的升高而明顯增大，輸入電壓范圍較寬。
驅(qū)動電路是包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合和變壓器耦合兩種電路形式。功能電路可包括檢波整流、零點(diǎn)檢測、放大加速、保護(hù)等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號。
輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流的通斷轉(zhuǎn)換。輸出電路主要是由輸出功率器件和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成。目前，交流SSR主要使用單向可控硅、雙向可控硅器件。直流SSR主要使用晶體三極管、MOS場效應(yīng)管、絕緣柵型雙極晶體管等。
交流SSR按采用的輸出器件不同，分為雙向晶閘管(TRIAC)普通型和單向晶閘管(SCR)反并聯(lián)增強(qiáng)型兩種。由于SCR器件具有比TRIAC器件dv/dt高、阻斷電壓高、和散熱性能好等特點(diǎn)，多被用來制造高電壓、大電流產(chǎn)品和用于感性、容性負(fù)載中。
三、固態(tài)繼電器的分類和命名
固態(tài)繼電器按其適用的輸出負(fù)載電源的種類分為直流固態(tài)繼電器和交流固態(tài)繼電器，按開關(guān)類型分為單相、雙路、三相，按工作方式分為零控和隨機(jī)控，按輸出器件的不同分為普通型和增強(qiáng)型，按控制電壓類型分為直流和交流控制，按用途分為常用型和專用型。同時，根據(jù)電壓的高低、負(fù)載電流的大小分成很多的品種：
1、控制電壓范圍：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，能使用固態(tài)繼電器正常工作的施加到輸入端的電壓范圍。阻性輸入型輸入電壓范圍一般為4-16V，恒流型輸入電壓范圍多為3-32V。
2、輸入電流：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，某一特定輸入電壓時，流入固態(tài)繼電器輸入回路的電流值。
3、開通電壓：保證常開型固態(tài)繼電器輸出電路接通所施加在輸入端的電壓的最低值。類似于電磁繼電器的動作電壓最大值。該值一般為固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍的下限值。即在輸入端施加該電壓或大于該電壓時，固態(tài)繼電器確保接通。
4、關(guān)斷電壓：保證常開型固態(tài)繼電器輸出電路關(guān)斷所施加在輸入端的電壓的最高值。類似于電磁繼電器的釋放電壓最小值。即在輸入端施加該電壓或低于該電壓值時，固態(tài)繼電器確保關(guān)斷。
5、反向電壓：能夠加在固態(tài)繼電器的輸入端上而不會造成永久性損壞的最大允許反向電壓。該值一般確定為輸入電壓范圍的上限值。
6、負(fù)載電流范圍：在規(guī)定環(huán)境溫度下，固態(tài)繼電器允許使用的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流值。一般為標(biāo)稱值，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，如大于40℃，允許的最大輸出電流有所下降。同時還規(guī)定最小的負(fù)荷電流，一般為50mA。
7、負(fù)載電壓范圍：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，固態(tài)繼電器能夠承受的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電壓。一般還應(yīng)規(guī)定，固態(tài)繼電器能正常接通和關(guān)斷的最小輸出電壓。
8、阻斷電壓：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，處于關(guān)斷狀態(tài)的固態(tài)繼電器的輸出端能夠承受的不被擊穿的最大瞬時電壓。
9、頻率范圍：在額定工作條件下，固態(tài)繼電器正常工作的電源頻率范圍。
10、斷態(tài)電壓上升率(dv/dt)：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，固態(tài)繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)時，其輸出端所能承受的最大電壓上升速率。
11、斷態(tài)漏電流：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，固態(tài)繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出端為額定輸出電壓時，流經(jīng)負(fù)載的電流(有效)值。
12、通態(tài)電壓降：在規(guī)定的環(huán)境溫度下，固態(tài)繼電器處于接通時，在額定工作電流下，兩輸出端之間的壓降。
13、開通時間：當(dāng)使常開型繼電器接通時，從加輸入電壓至保證接通電壓開始，輸入端達(dá)到其電壓最終變化的90%為止之間的時間間隔。
14、關(guān)斷時間：當(dāng)使常開型繼電器關(guān)斷時，從切除輸入電壓至保證關(guān)斷電壓開始，到輸出端達(dá)到其電壓最終變化完為止之間的時間間隔。
15、熱阻(Rthjc)：在熱平衡條件下，固態(tài)繼電器芯片與底基板之間溫度差與產(chǎn)生溫差的耗散功率之比。
16、浪涌電流：固態(tài)繼電器可承受的脈沖寬度為50/60Hz，1個周期(20/16.67ms)非重復(fù)流涌沖擊電流。
17、絕緣電壓(輸入/輸出)：固態(tài)繼電器的輸入和輸出之間所能承受的隔離電壓最小值。
18、絕緣電壓(輸入、輸出/基板)：固態(tài)繼電器的輸入、輸出和底基板之間所能承受的隔離電壓最小值。
19、幾個技術(shù)名詞解釋：1“隨機(jī)控”一當(dāng)輸入端施加有效的控制信號時，SSR立即導(dǎo)通，稱之為“隨機(jī)控”型。2“零控”或“零壓差”一當(dāng)輸入端施加有效的控制信號時，SSR只能在其輸出端點(diǎn)間電壓差接近零時導(dǎo)通，稱之為“零控”或“零壓差”型。此型SSR沖擊電流小，多數(shù)場合使用。
四、固態(tài)繼電器使用注意事項(xiàng)
1、固態(tài)繼電器的合理選擇
選擇固態(tài)繼電器時，應(yīng)對照應(yīng)用條件，分析研究手冊、詳細(xì)規(guī)范和產(chǎn)品技術(shù)性能及參數(shù)，同時應(yīng)該注意到固態(tài)繼電器性能參數(shù)和負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫度的影響較大，其輸入有極性要求，感性和容性負(fù)載時輸出電路容易受尖封電壓和浪涌電流的損害，導(dǎo)通時通態(tài)壓降產(chǎn)生的功率損耗和散熱等。重點(diǎn)處理好這些問題，有助于實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的科學(xué)利用，使其更具可靠性。
(1)：負(fù)載類型、輸出電流和浪涌電流：使用中流過固態(tài)繼電器輸出端的穩(wěn)態(tài)電流不得超過產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范的相應(yīng)環(huán)境溫度下的額定輸出電流，可能出現(xiàn)的浪涌電流不得超過繼電器的過負(fù)載能力，一般都留有一定的余量。雙向可控硅輸出大多用于阻性負(fù)載，單向可控硅反并聯(lián)輸出大多用于感性和容性負(fù)載。大多數(shù)負(fù)載都可使用“零控”型，但需要調(diào)壓(如調(diào)光)和少數(shù)感性負(fù)載(如變壓器)必須使用“隨機(jī)控”型
幾乎沒有完全無浪涌的固態(tài)繼電器負(fù)載，即使電熱元件，盡管它們是純阻性的，由于具有正的溫度系數(shù)，低溫時電阻較小，因而通常表現(xiàn)為較大的起動電流。如電熱爐接通電流常為穩(wěn)態(tài)電流的1.3-1.4倍,白熾燈接通電流常為穩(wěn)態(tài)電流10倍。鹵鎢燈的浪、涌電流可以高達(dá)穩(wěn)態(tài)值的25倍。有些金屬鹵化物燈的開啟過程需10分鐘，在這一過程中，燈及其鎮(zhèn)流器可能表現(xiàn)為容性和感性?？赡馨殡S有高達(dá)穩(wěn)定值100倍的電流脈沖。
容性負(fù)載具有潛在危險性。因?yàn)橥姇r其最初表現(xiàn)為短路，在充電時會出現(xiàn)很高的浪涌電流，該電流靠電源內(nèi)阻、電路電阻和電路電感來限制。如投切電力電容器不但要考慮浪涌電流，還要考慮“過補(bǔ)”時的過電壓。建議選用本公司生產(chǎn)的電容器投切專用固態(tài)繼電器或SGDF系列復(fù)合固態(tài)繼電器。
感性負(fù)載會產(chǎn)生大的浪涌電流，關(guān)斷時又可能產(chǎn)生2倍于電源電壓的過電壓。如交流電磁鐵、接觸器在非激勵狀態(tài)輸入阻抗低、通電時會出現(xiàn)3-4倍于穩(wěn)態(tài)電流的浪涌電流。有飽和剩磁的變壓器，若接通時繼續(xù)向剩磁方向激磁，由于嚴(yán)重的磁飽和，在開始的半周會出現(xiàn)幾乎僅由繞阻電阻決定的浪涌電流，它甚至可達(dá)穩(wěn)態(tài)電的30倍。交流感應(yīng)電動機(jī)起動時的浪涌電流最大值是穩(wěn)態(tài)額定電流的5-7倍，而且其起動時的浪涌電流，從初始的堵轉(zhuǎn)電流逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)電流，過渡的持續(xù)時間與電機(jī)及負(fù)載的慣性關(guān)系很大，可以從十幾個電源周波到幾十秒。所以建議用戶選用固態(tài)繼電器時，應(yīng)先認(rèn)真分析研究或測試負(fù)載的浪涌特性、然后再選擇固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器必須在保證穩(wěn)態(tài)工作的前提下，能夠承受這個浪涌電流。
下面給出考慮負(fù)載浪涌電流和固態(tài)繼電器過負(fù)載能力后，常溫下各種負(fù)載的穩(wěn)壓電流對固態(tài)繼電器額定輸出電流的降額系數(shù)的推薦值。當(dāng)固態(tài)繼電器處于頻繁操作和要求長壽命、高可靠的應(yīng)用場合，還應(yīng)將下表的降額系數(shù)再乘以0.6,并且用耐熱疲勞性能好的加強(qiáng)型固態(tài)繼電器。
(2)輸出電壓、瞬態(tài)電壓和dv/dt
直流固態(tài)繼電器只適用于控制直流電源和負(fù)載，交流固態(tài)繼電器只適用于控制交流電源和負(fù)載。負(fù)載電源的電壓不能超過繼電器的額定輸出電壓，也不能低于規(guī)定的最小輸出電壓。使用中，可能加至固態(tài)繼電器輸出端的最大電壓峰值，一定要低于固態(tài)繼電器的瞬態(tài)電壓值。切換交流電感負(fù)載、單相電機(jī)和三相電機(jī)負(fù)載，或這些負(fù)載電路上電時，固態(tài)繼電器輸出端都可能會出現(xiàn)兩倍于電源電壓峰值的電壓。對此類負(fù)載，最好選用額定輸出電壓單相為280Vac、三相為530VaC的交流固態(tài)繼電器。峰值阻斷電壓分別可達(dá)800V和1400V。對感性和容性負(fù)載，當(dāng)交流固態(tài)繼電器在零電流關(guān)斷時，電源電壓不為零，并且以較大的dv/dt值加至固態(tài)繼電器輸出端。因此應(yīng)選用dv/dt高的繼電器。尤其用于正反轉(zhuǎn)控制的固態(tài)繼電器，應(yīng)選用本公司SGR系列產(chǎn)品。
(3)輸入特性
直流阻性輸入固態(tài)繼電器的輸入電壓一般為4-16Vdc。這種固態(tài)繼電器在輸入電路中串聯(lián)一電阻，電流隨電壓的增加而增加，簡單耐用。在應(yīng)用時，如果控制電壓或電流不合適，可通過控制回路串接電阻的方法來解決，推薦采用。另外是輸入電壓范圍較寬的恒流輸入固態(tài)繼電器，范圍在3-32Vdc。它在輸入端串聯(lián)有恒流源電路，在電壓加大到一定值時電流基本不變。交流輸入多數(shù)使用在無直流電源的場合，注意其開通時有最大40mS的延時。
(4)其它特性
這方面包括分析考慮固態(tài)繼電器的輸出電壓降、輸出漏電流、絕緣耐壓等電氣特性，熱阻、工作于儲存溫度、耐潮濕、氣密性等氣候環(huán)境特性，耐振動、沖擊等機(jī)械環(huán)境特性，重量、尺寸、接線端方式等物理特性是否符合使用要求。
采用輸出漏電流來表征固態(tài)繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)時同一輸出端之間的絕緣狀態(tài)。不允許用測試電壓高于輸出電壓的儀表測量它們之間的絕緣電阻和介質(zhì)耐壓，也不允許在未規(guī)定的方向上測試漏電流。對于特殊的使用，比如感性、容性負(fù)載和頻繁操作，建議選型時與生產(chǎn)廠應(yīng)用工程師聯(lián)系，以取得他們的支持。
2、固態(tài)繼電器的保護(hù)
(1)過電流的保護(hù)
固態(tài)繼電器是以半導(dǎo)體開關(guān)器件作為功率輸出部件的，對溫度的變化較為敏感，過電流會使半導(dǎo)體芯片過熱而造成品質(zhì)下降,壽命降低甚至永久性損壞.雖然固態(tài)繼電器在瞬間可以承受額定電流10倍以上的浪涌電流,但超過此值很容易造成永久性損壞.因而,過電流的保護(hù)是很重要的,過電流的保護(hù)方法很多,關(guān)鍵在于反映速度要快.對以可控硅為輸出器件的交流固態(tài)繼電器,由于可控硅需電流過零關(guān)斷的特性則對于在10Ms(50Hz)以內(nèi)超過SSR浪涌電流承受值的浪涌電流和短路電流,一般的保護(hù)電路是無效的,應(yīng)考慮采用半導(dǎo)體器件專用的快速熔斷器.熔斷器的標(biāo)稱熔斷電流不應(yīng)超過SSR的標(biāo)稱電流值.市售的快速熔斷器種類較多,但質(zhì)量差異較大,請選擇時加以注意.
(2)過電壓的保護(hù)
當(dāng)負(fù)載為感性或容性時，很可能產(chǎn)生大于固態(tài)繼電器所能承受的瞬態(tài)電壓(阻斷電壓)和電壓上升率(dv/dt)。若保護(hù)措施不當(dāng)或響應(yīng)不靈敏，不僅會造成固態(tài)繼電器失控，嚴(yán)重時還可能燒毀固態(tài)繼電器或設(shè)備。因此，過電壓的保護(hù)是必須的。普遍的應(yīng)用是外加瞬態(tài)抑制(RC吸收)電路和電壓鉗位電路(雙向穩(wěn)壓二極管、壓敏電阻)。本公司在設(shè)計產(chǎn)品時，多數(shù)產(chǎn)品內(nèi)部已加上RC吸收回路或壓敏電阻，能起到一定保護(hù)作用，建議用戶在使用時根據(jù)負(fù)載的有關(guān)參數(shù)和環(huán)境條件，認(rèn)真計算和實(shí)驗(yàn)RC回路的選值。若滿足不了，應(yīng)再并聯(lián)一個RC回路和壓敏保護(hù)電路。在一般情況下，RC吸收回路可以有效地抑制加至固態(tài)繼電器的瞬態(tài)電壓和電壓指數(shù)上升率(dv/dt)，壓敏電阻保護(hù)電路可以吸收寬脈沖的過電壓。RC吸收回路的RC值選擇要經(jīng)過計算和驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)的選擇(僅供參考)是電阻在27-150歐姆、功率為2-5瓦之間，電容容量在0.01-1uf、耐壓在250-500VAC之間,(例:R=51歐/2W,C=0.2uF/500VAC)精確值應(yīng)在實(shí)驗(yàn)后確定.注意不要發(fā)生振蕩.壓敏電阻的選擇同樣要經(jīng)過認(rèn)真的計算和驗(yàn)證.一般情況下(僅供參考),在220VAC電路里使用標(biāo)稱470-680V、?12-16的，在380VAC電路里使用標(biāo)稱780-1000V、?12-16的。
(3)過熱保護(hù)
如固態(tài)繼電器過熱，輕則失控，重則造成永久性損壞，建議加裝過熱保護(hù)措施，通常的做法是保證固態(tài)繼電器的底板處溫度不超過75-80℃。一般的溫度保護(hù)電路就可以達(dá)到目的,比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的是在散熱器上靠近SSR底板處安裝溫控開關(guān)，溫升達(dá)到限定溫度時切斷SSR輸入信號。
固態(tài)繼電器工作時，在其內(nèi)部芯片上存在一定的功率損耗，這個損耗功率主要由固態(tài)繼電器輸出電壓降與負(fù)載電流乘積決定，以發(fā)熱的形式消耗掉。因此散熱的好壞直接影響到固態(tài)繼電器工作的可靠性，優(yōu)良的熱學(xué)設(shè)計可避免由于散熱不良造成的失敗和損壞。
一般而言，負(fù)載電流小于5A的固態(tài)繼電器，利用空氣對流散熱即可。要求安裝在有良好對流環(huán)境、兩個固態(tài)繼電器間距離大于一個固態(tài)繼電器的寬度。電流大于10A的固態(tài)繼電器應(yīng)加裝散熱器，對于負(fù)載電流大于40A的固態(tài)繼電器，根據(jù)設(shè)計體積大小，必要時要使用風(fēng)冷或水冷。
3、固態(tài)繼電器的應(yīng)用熱設(shè)計和散熱器的選擇
固態(tài)繼電器在工作中內(nèi)部存在著一定的功率耗散，這個耗散值主要由輸出電壓降與負(fù)載電流乘積決定，以發(fā)熱的形式體現(xiàn)。散熱的好壞直接影響到固態(tài)繼電器的最大負(fù)載電流和允許的最高工作環(huán)境溫度值，是影響固態(tài)繼電器可靠工作的重要因素之一。所以，我們應(yīng)重視固態(tài)繼電器的應(yīng)用熱設(shè)計和散熱器的選擇，使固態(tài)繼電器穩(wěn)定可靠的工作，避免由于散熱不良而造成的固態(tài)繼電器的失效和損壞。
一般而言，輸出電流小于5A的固態(tài)繼電器，利用空氣自然對流，足以達(dá)到冷卻散熱的目的，但安裝時要有一個良好的對流環(huán)境，固態(tài)繼電器之間的距離不得小于一個固態(tài)繼電器的寬度。
負(fù)載電流大于10A的固態(tài)繼電器使用合適的散熱器是必不可少的，必要時還要進(jìn)行風(fēng)冷(風(fēng)冷風(fēng)速6米/秒)或水冷。良好的散熱條件對于固態(tài)繼電器的可靠工作是十分重要的。產(chǎn)品手冊中一般都會給用戶提供工作電流、通態(tài)壓降和熱阻等參數(shù)，有的還會給出工作電流/耗散功率與環(huán)境溫度/基板溫度曲線，供使用時參考。利用這些參數(shù)就可以計算出所需散熱器的熱阻，再根據(jù)散熱器廠家產(chǎn)品手冊上的熱阻參數(shù)選擇散熱器。