固态继电器的结构及电参数说明
固态继电器的结构及电参数说明
一、固态继电器的结构及电参数说明
SSR的结构一般是控制电路在上，功率输出组件在下。控制电路分为分立器件和SMT表面贴装工艺，功率输出组件可分为塑封硅工艺和单硅芯片并联工艺。一般10-40A SSR采用塑封双向硅封装，50-100A的SSR采用塑封单向硅反并联封装，单向硅反并联的技术指标要好于双向硅工艺。最先进的是采用SCR芯片反并联焊接工艺的SSR，它的特点是阻断电压高，过载能力强，散热条件好，抗冲击能力强，电流可达上千安培，因此国外工业先进国家大多采用该工艺。
二、固态继电器主要由输入电路、驱动电路和输出电路三部分组成
输入电路是为输入控制信号提供一个回路，分为直流输入和交流输入，直流输入又分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性正向变化，恒流输入电路，在输入电压达到预置值后，输入控制电流不再随电压的升高而明显增大，输入电压范围较宽。
驱动电路是包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路，目前多采用光电耦合和变压器耦合两种电路形式。功能电路可包括检波整流、零点检测、放大加速、保护等各种功能电路。触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。
输出电路是在触发信号的控制下，实现对负载电流的通断转换。输出电路主要是由输出功率器件和起瞬态抑制作用的吸收回路组成。目前，交流SSR主要使用单向可控硅、双向可控硅器件。直流SSR主要使用晶体三极管、MOS场效应管、绝缘栅型双极晶体管等。
交流SSR按采用的输出器件不同，分为双向晶闸管(TRIAC)普通型和单向晶闸管(SCR)反并联增强型两种。由于SCR器件具有比TRIAC器件dv/dt高、阻断电压高、和散热性能好等特点，多被用来制造高电压、大电流产品和用于感性、容性负载中。
三、固态继电器的分类和命名
固态继电器按其适用的输出负载电源的种类分为直流固态继电器和交流固态继电器，按开关类型分为单相、双路、三相，按工作方式分为零控和随机控，按输出器件的不同分为普通型和增强型，按控制电压类型分为直流和交流控制，按用途分为常用型和专用型。同时，根据电压的高低、负载电流的大小分成很多的品种：
1、控制电压范围：在规定的环境温度下，能使用固态继电器正常工作的施加到输入端的电压范围。阻性输入型输入电压范围一般为4-16V，恒流型输入电压范围多为3-32V。
2、输入电流：在规定的环境温度下，某一特定输入电压时，流入固态继电器输入回路的电流值。
3、开通电压：保证常开型固态继电器输出电路接通所施加在输入端的电压的最低值。类似于电磁继电器的动作电压最大值。该值一般为固态继电器的输入电压范围的下限值。即在输入端施加该电压或大于该电压时，固态继电器确保接通。
4、关断电压：保证常开型固态继电器输出电路关断所施加在输入端的电压的最高值。类似于电磁继电器的释放电压最小值。即在输入端施加该电压或低于该电压值时，固态继电器确保关断。
5、反向电压：能够加在固态继电器的输入端上而不会造成永久性损坏的最大允许反向电压。该值一般确定为输入电压范围的上限值。
6、负载电流范围：在规定环境温度下，固态继电器允许使用的最大稳态负载电流值。一般为标称值，当环境温度升高时，如大于40℃，允许的最大输出电流有所下降。同时还规定最小的负荷电流，一般为50mA。
7、负载电压范围：在规定的环境温度下，固态继电器能够承受的最大稳态负载电压。一般还应规定，固态继电器能正常接通和关断的最小输出电压。
8、阻断电压：在规定的环境温度下，处于关断状态的固态继电器的输出端能够承受的不被击穿的最大瞬时电压。
9、频率范围：在额定工作条件下，固态继电器正常工作的电源频率范围。
10、断态电压上升率(dv/dt)：在规定的环境温度下，固态继电器处于关断状态时，其输出端所能承受的最大电压上升速率。
11、断态漏电流：在规定的环境温度下，固态继电器处于关断状态，输出端为额定输出电压时，流经负载的电流(有效)值。
12、通态电压降：在规定的环境温度下，固态继电器处于接通时，在额定工作电流下，两输出端之间的压降。
13、开通时间：当使常开型继电器接通时，从加输入电压至保证接通电压开始，输入端达到其电压最终变化的90%为止之间的时间间隔。
14、关断时间：当使常开型继电器关断时，从切除输入电压至保证关断电压开始，到输出端达到其电压最终变化完为止之间的时间间隔。
15、热阻(Rthjc)：在热平衡条件下，固态继电器芯片与底基板之间温度差与产生温差的耗散功率之比。
16、浪涌电流：固态继电器可承受的脉冲宽度为50/60Hz，1个周期(20/16.67ms)非重复流涌冲击电流。
17、绝缘电压(输入/输出)：固态继电器的输入和输出之间所能承受的隔离电压最小值。
18、绝缘电压(输入、输出/基板)：固态继电器的输入、输出和底基板之间所能承受的隔离电压最小值。
19、几个技术名词解释：1“随机控”一当输入端施加有效的控制信号时，SSR立即导通，称之为“随机控”型。2“零控”或“零压差”一当输入端施加有效的控制信号时，SSR只能在其输出端点间电压差接近零时导通，称之为“零控”或“零压差”型。此型SSR冲击电流小，多数场合使用。
四、固态继电器使用注意事项
1、固态继电器的合理选择
选择固态继电器时，应对照应用条件，分析研究手册、详细规范和产品技术性能及参数，同时应该注意到固态继电器性能参数和负载能力受环境温度和自身温度的影响较大，其输入有极性要求，感性和容性负载时输出电路容易受尖封电压和浪涌电流的损害，导通时通态压降产生的功率损耗和散热等。重点处理好这些问题，有助于实现固态继电器的科学利用，使其更具可靠性。
(1)：负载类型、输出电流和浪涌电流：使用中流过固态继电器输出端的稳态电流不得超过产品详细规范的相应环境温度下的额定输出电流，可能出现的浪涌电流不得超过继电器的过负载能力，一般都留有一定的余量。双向可控硅输出大多用于阻性负载，单向可控硅反并联输出大多用于感性和容性负载。大多数负载都可使用“零控”型，但需要调压(如调光)和少数感性负载(如变压器)必须使用“随机控”型
几乎没有完全无浪涌的固态继电器负载，即使电热元件，尽管它们是纯阻性的，由于具有正的温度系数，低温时电阻较小，因而通常表现为较大的起动电流。如电热炉接通电流常为稳态电流的1.3-1.4倍,白炽灯接通电流常为稳态电流10倍。卤钨灯的浪、涌电流可以高达稳态值的25倍。有些金属卤化物灯的开启过程需10分钟，在这一过程中，灯及其镇流器可能表现为容性和感性。可能伴随有高达稳定值100倍的电流脉冲。
容性负载具有潜在危险性。因为通电时其最初表现为短路，在充电时会出现很高的浪涌电流，该电流靠电源内阻、电路电阻和电路电感来限制。如投切电力电容器不但要考虑浪涌电流，还要考虑“过补”时的过电压。建议选用本公司生产的电容器投切专用固态继电器或SGDF系列复合固态继电器。
感性负载会产生大的浪涌电流，关断时又可能产生2倍于电源电压的过电压。如交流电磁铁、接触器在非激励状态输入阻抗低、通电时会出现3-4倍于稳态电流的浪涌电流。有饱和剩磁的变压器，若接通时继续向剩磁方向激磁，由于严重的磁饱和，在开始的半周会出现几乎仅由绕阻电阻决定的浪涌电流，它甚至可达稳态电的30倍。交流感应电动机起动时的浪涌电流最大值是稳态额定电流的5-7倍，而且其起动时的浪涌电流，从初始的堵转电流逐渐过渡到稳态电流，过渡的持续时间与电机及负载的惯性关系很大，可以从十几个电源周波到几十秒。所以建议用户选用固态继电器时，应先认真分析研究或测试负载的浪涌特性、然后再选择固态继电器。固态继电器必须在保证稳态工作的前提下，能够承受这个浪涌电流。
下面给出考虑负载浪涌电流和固态继电器过负载能力后，常温下各种负载的稳压电流对固态继电器额定输出电流的降额系数的推荐值。当固态继电器处于频繁操作和要求长寿命、高可靠的应用场合，还应将下表的降额系数再乘以0.6,并且用耐热疲劳性能好的加强型固态继电器。
(2)输出电压、瞬态电压和dv/dt
直流固态继电器只适用于控制直流电源和负载，交流固态继电器只适用于控制交流电源和负载。负载电源的电压不能超过继电器的额定输出电压，也不能低于规定的最小输出电压。使用中，可能加至固态继电器输出端的最大电压峰值，一定要低于固态继电器的瞬态电压值。切换交流电感负载、单相电机和三相电机负载，或这些负载电路上电时，固态继电器输出端都可能会出现两倍于电源电压峰值的电压。对此类负载，最好选用额定输出电压单相为280Vac、三相为530VaC的交流固态继电器。峰值阻断电压分别可达800V和1400V。对感性和容性负载，当交流固态继电器在零电流关断时，电源电压不为零，并且以较大的dv/dt值加至固态继电器输出端。因此应选用dv/dt高的继电器。尤其用于正反转控制的固态继电器，应选用本公司SGR系列产品。
(3)输入特性
直流阻性输入固态继电器的输入电压一般为4-16Vdc。这种固态继电器在输入电路中串联一电阻，电流随电压的增加而增加，简单耐用。在应用时，如果控制电压或电流不合适，可通过控制回路串接电阻的方法来解决，推荐采用。另外是输入电压范围较宽的恒流输入固态继电器，范围在3-32Vdc。它在输入端串联有恒流源电路，在电压加大到一定值时电流基本不变。交流输入多数使用在无直流电源的场合，注意其开通时有最大40mS的延时。
(4)其它特性
这方面包括分析考虑固态继电器的输出电压降、输出漏电流、绝缘耐压等电气特性，热阻、工作于储存温度、耐潮湿、气密性等气候环境特性，耐振动、冲击等机械环境特性，重量、尺寸、接线端方式等物理特性是否符合使用要求。
采用输出漏电流来表征固态继电器处于关断状态时同一输出端之间的绝缘状态。不允许用测试电压高于输出电压的仪表测量它们之间的绝缘电阻和介质耐压，也不允许在未规定的方向上测试漏电流。对于特殊的使用，比如感性、容性负载和频繁操作，建议选型时与生产厂应用工程师联系，以取得他们的支持。
2、固态继电器的保护
(1)过电流的保护
固态继电器是以半导体开关器件作为功率输出部件的，对温度的变化较为敏感，过电流会使半导体芯片过热而造成品质下降,寿命降低甚至永久性损坏.虽然固态继电器在瞬间可以承受额定电流10倍以上的浪涌电流,但超过此值很容易造成永久性损坏.因而,过电流的保护是很重要的,过电流的保护方法很多,关键在于反映速度要快.对以可控硅为输出器件的交流固态继电器,由于可控硅需电流过零关断的特性则对于在10Ms(50Hz)以内超过SSR浪涌电流承受值的浪涌电流和短路电流,一般的保护电路是无效的,应考虑采用半导体器件专用的快速熔断器.熔断器的标称熔断电流不应超过SSR的标称电流值.市售的快速熔断器种类较多,但质量差异较大,请选择时加以注意.
(2)过电压的保护
当负载为感性或容性时，很可能产生大于固态继电器所能承受的瞬态电压(阻断电压)和电压上升率(dv/dt)。若保护措施不当或响应不灵敏，不仅会造成固态继电器失控，严重时还可能烧毁固态继电器或设备。因此，过电压的保护是必须的。普遍的应用是外加瞬态抑制(RC吸收)电路和电压钳位电路(双向稳压二极管、压敏电阻)。本公司在设计产品时，多数产品内部已加上RC吸收回路或压敏电阻，能起到一定保护作用，建议用户在使用时根据负载的有关参数和环境条件，认真计算和实验RC回路的选值。若满足不了，应再并联一个RC回路和压敏保护电路。在一般情况下，RC吸收回路可以有效地抑制加至固态继电器的瞬态电压和电压指数上升率(dv/dt)，压敏电阻保护电路可以吸收宽脉冲的过电压。RC吸收回路的RC值选择要经过计算和验证。经验的选择(仅供参考)是电阻在27-150欧姆、功率为2-5瓦之间，电容容量在0.01-1uf、耐压在250-500VAC之间,(例:R=51欧/2W,C=0.2uF/500VAC)精确值应在实验后确定.注意不要发生振荡.压敏电阻的选择同样要经过认真的计算和验证.一般情况下(仅供参考),在220VAC电路里使用标称470-680V、ø12-16的，在380VAC电路里使用标称780-1000V、ø12-16的。
(3)过热保护
如固态继电器过热，轻则失控，重则造成永久性损坏，建议加装过热保护措施，通常的做法是保证固态继电器的底板处温度不超过75-80℃。一般的温度保护电路就可以达到目的,比较经济实惠的是在散热器上靠近SSR底板处安装温控开关，温升达到限定温度时切断SSR输入信号。
固态继电器工作时，在其内部芯片上存在一定的功率损耗，这个损耗功率主要由固态继电器输出电压降与负载电流乘积决定，以发热的形式消耗掉。因此散热的好坏直接影响到固态继电器工作的可靠性，优良的热学设计可避免由于散热不良造成的失败和损坏。
一般而言，负载电流小于5A的固态继电器，利用空气对流散热即可。要求安装在有良好对流环境、两个固态继电器间距离大于一个固态继电器的宽度。电流大于10A的固态继电器应加装散热器，对于负载电流大于40A的固态继电器，根据设计体积大小，必要时要使用风冷或水冷。
3、固态继电器的应用热设计和散热器的选择
固态继电器在工作中内部存在着一定的功率耗散，这个耗散值主要由输出电压降与负载电流乘积决定，以发热的形式体现。散热的好坏直接影响到固态继电器的最大负载电流和允许的最高工作环境温度值，是影响固态继电器可靠工作的重要因素之一。所以，我们应重视固态继电器的应用热设计和散热器的选择，使固态继电器稳定可靠的工作，避免由于散热不良而造成的固态继电器的失效和损坏。
一般而言，输出电流小于5A的固态继电器，利用空气自然对流，足以达到冷却散热的目的，但安装时要有一个良好的对流环境，固态继电器之间的距离不得小于一个固态继电器的宽度。
负载电流大于10A的固态继电器使用合适的散热器是必不可少的，必要时还要进行风冷(风冷风速6米/秒)或水冷。良好的散热条件对于固态继电器的可靠工作是十分重要的。产品手册中一般都会给用户提供工作电流、通态压降和热阻等参数，有的还会给出工作电流/耗散功率与环境温度/基板温度曲线，供使用时参考。利用这些参数就可以计算出所需散热器的热阻，再根据散热器厂家产品手册上的热阻参数选择散热器。
