一、固態繼電器的結構及電參數說明

　　SSR的結構一般是控制電路在上，功率輸出組件在下。控制電路分為分立器件和SMT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封裝，單向硅反并聯的技術指標要好于雙向硅工藝。最先進的是采用SCR芯片反并聯焊接工藝的SSR，它的特點是阻斷電壓高，過載能力強，散熱條件好，抗沖擊能力強，電流可達上千安培，因此國外工業先進國家大多采用該工藝。

二、固態繼電器主要由輸入電路、驅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，在輸入電壓達到預置值后，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。

　　驅動電路是包括隔離耦合電路、功能電路和觸發電路三部分。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、零點檢測、放大加速、保護等各種功能電路。觸發電路的作用是給輸出器件提供觸發信號。

　　輸出電路是在觸發信號的控制下，實現對負載電流的通斷轉換。輸出電路主要是由輸出功率器件和起瞬態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)反并聯增強型兩種。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，多被用來制造高電壓、大電流產品和用于感性、容性負載中。

三、固態繼電器的分類和命名

　　固態繼電器按其適用的輸出負載電源的種類分為直流固態繼電器和交流固態繼電器，按開關類型分為單相、雙路、三相，按工作方式分為零控和隨機控，按輸出器件的不同分為普通型和增強型，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，根據電壓的高低、負載電流的大小分成很多的品種：

　　1、控制電壓范圍：在規定的環境溫度下，能使用固態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：在規定的環境溫度下，某一特定輸入電壓時，流入固態繼電器輸入回路的電流值。

　　3、開通電壓：保證常開型固態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，固態繼電器確保接通。

　　4、關斷電壓：保證常開型固態繼電器輸出電路關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，固態繼電器確保關斷。

　　5、反向電壓：能夠加在固態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、負載電流范圍：在規定環境溫度下，固態繼電器允許使用的最大穩態負載電流值。一般為標稱值，當環境溫度升高時，如大于40℃，允許的最大輸出電流有所下降。同時還規定最小的負荷電流，一般為50mA。

　　7、負載電壓范圍：在規定的環境溫度下，固態繼電器能夠承受的最大穩態負載電壓。一般還應規定，固態繼電器能正常接通和關斷的最小輸出電壓。

　　8、阻斷電壓：在規定的環境溫度下，處于關斷狀態的固態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，固態繼電器正常工作的電源頻率范圍。

　　10、斷態電壓上升率(dv/dt)：在規定的環境溫度下，固態繼電器處于關斷狀態時，其輸出端所能承受的最大電壓上升速率。

　　11、斷態漏電流：在規定的環境溫度下，固態繼電器處于關斷狀態，輸出端為額定輸出電壓時，流經負載的電流(有效)值。

　　12、通態電壓降：在規定的環境溫度下，固態繼電器處于接通時，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，輸入端達到其電壓最終變化的90%為止之間的時間間隔。

　　14、關斷時間：當使常開型繼電器關斷時，從切除輸入電壓至保證關斷電壓開始，到輸出端達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，固態繼電器芯片與底基板之間溫度差與產生溫差的耗散功率之比。

　　16、浪涌電流：固態繼電器可承受的脈沖寬度為50/60Hz，1個周期(20/16.67ms)非重復流涌沖擊電流。

　　17、絕緣電壓(輸入/輸出)：固態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、幾個技術名詞解釋：1“隨機控”一當輸入端施加有效的控制信號時，SSR立即導通，稱之為“隨機控”型。2“零控”或“零壓差”一當輸入端施加有效的控制信號時，SSR只能在其輸出端點間電壓差接近零時導通，稱之為“零控”或“零壓差”型。此型SSR沖擊電流小，多數場合使用。

四、固態繼電器使用注意事項

　　1、固態繼電器的合理選擇

　　選擇固態繼電器時，應對照應用條件，分析研究手冊、詳細規范和產品技術性能及參數，同時應該注意到固態繼電器性能參數和負載能力受環境溫度和自身溫度的影響較大，其輸入有極性要求，感性和容性負載時輸出電路容易受尖封電壓和浪涌電流的損害，導通時通態壓降產生的功率損耗和散熱等。重點處理好這些問題，有助于實現固態繼電器的科學利用，使其更具可靠性。

　　(1)：負載類型、輸出電流和浪涌電流：使用中流過固態繼電器輸出端的穩態電流不得超過產品詳細規范的相應環境溫度下的額定輸出電流，可能出現的浪涌電流不得超過繼電器的過負載能力，一般都留有一定的余量。雙向可控硅輸出大多用于阻性負載，單向可控硅反并聯輸出大多用于感性和容性負載。大多數負載都可使用“零控”型，但需要調壓(如調光)和少數感性負載(如變壓器)必須使用“隨機控”型

幾乎沒有完全無浪涌的固態繼電器負載，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，低溫時電阻較小，因而通常表現為較大的起動電流。如電熱爐接通電流常為穩態電流的1.3-1.4倍,白熾燈接通電流常為穩態電流10倍。鹵鎢燈的浪、涌電流可以高達穩態值的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，燈及其鎮流器可能表現為容性和感性。可能伴隨有高達穩定值100倍的電流脈沖。

　　容性負載具有潛在危險性。因為通電時其最初表現為短路，在充電時會出現很高的浪涌電流，該電流靠電源內阻、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”時的過電壓。建議選用本公司生產的電容器投切專用固態繼電器或SGDF系列復合固態繼電器。

　　感性負載會產生大的浪涌電流，關斷時又可能產生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輸入阻抗低、通電時會出現3-4倍于穩態電流的浪涌電流。有飽和剩磁的變壓器，若接通時繼續向剩磁方向激磁，由于嚴重的磁飽和，在開始的半周會出現幾乎僅由繞阻電阻決定的浪涌電流，它甚至可達穩態電的30倍。交流感應電動機起動時的浪涌電流最大值是穩態額定電流的5-7倍，而且其起動時的浪涌電流，從初始的堵轉電流逐漸過渡到穩態電流，過渡的持續時間與電機及負載的慣性關系很大，可以從十幾個電源周波到幾十秒。所以建議用戶選用固態繼電器時，應先認真分析研究或測試負載的浪涌特性、然后再選擇固態繼電器。固態繼電器必須在保證穩態工作的前提下，能夠承受這個浪涌電流。

　　下面給出考慮負載浪涌電流和固態繼電器過負載能力后，常溫下各種負載的穩壓電流對固態繼電器額定輸出電流的降額系數的推薦值。當固態繼電器處于頻繁操作和要求長壽命、高可靠的應用場合，還應將下表的降額系數再乘以0.6,并且用耐熱疲勞性能好的加強型固態繼電器。

　　(2)輸出電壓、瞬態電壓和dv/dt

　　直流固態繼電器只適用于控制直流電源和負載，交流固態繼電器只適用于控制交流電源和負載。負載電源的電壓不能超過繼電器的額定輸出電壓，也不能低于規定的最小輸出電壓。使用中，可能加至固態繼電器輸出端的最大電壓峰值，一定要低于固態繼電器的瞬態電壓值。切換交流電感負載、單相電機和三相電機負載，或這些負載電路上電時，固態繼電器輸出端都可能會出現兩倍于電源電壓峰值的電壓。對此類負載，最好選用額定輸出電壓單相為280Vac、三相為530VaC的交流固態繼電器。峰值阻斷電壓分別可達800V和1400V。對感性和容性負載，當交流固態繼電器在零電流關斷時，電源電壓不為零，并且以較大的dv/dt值加至固態繼電器輸出端。因此應選用dv/dt高的繼電器。尤其用于正反轉控制的固態繼電器，應選用本公司SGR系列產品。

　　(3)輸入特性

　　直流阻性輸入固態繼電器的輸入電壓一般為4-16Vdc。這種固態繼電器在輸入電路中串聯一電阻，電流隨電壓的增加而增加，簡單耐用。在應用時，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繼電器，范圍在3-32Vdc。它在輸入端串聯有恒流源電路，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、氣密性等氣候環境特性，耐振動、沖擊等機械環境特性，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繼電器處于關斷狀態時同一輸出端之間的絕緣狀態。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耐壓，也不允許在未規定的方向上測試漏電流。對于特殊的使用，比如感性、容性負載和頻繁操作，建議選型時與生產廠應用工程師聯系，以取得他們的支持。

　　2、固態繼電器的保護

　　(1)過電流的保護

　　固態繼電器是以半導體開關器件作為功率輸出部件的，對溫度的變化較為敏感，過電流會使半導體芯片過熱而造成品質下降,壽命降低甚至永久性損壞.雖然固態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,過電流的保護是很重要的,過電流的保護方法很多,關鍵在于反映速度要快.對以可控硅為輸出器件的交流固態繼電器,由于可控硅需電流過零關斷的特性則對于在10Ms(50Hz)以內超過SSR浪涌電流承受值的浪涌電流和短路電流,一般的保護電路是無效的,應考慮采用半導體器件專用的快速熔斷器.熔斷器的標稱熔斷電流不應超過SSR的標稱電流值.市售的快速熔斷器種類較多,但質量差異較大,請選擇時加以注意.

　　(2)過電壓的保護

　　當負載為感性或容性時，很可能產生大于固態繼電器所能承受的瞬態電壓(阻斷電壓)和電壓上升率(dv/dt)。若保護措施不當或響應不靈敏，不僅會造成固態繼電器失控，嚴重時還可能燒毀固態繼電器或設備。因此，過電壓的保護是必須的。普遍的應用是外加瞬態抑制(RC吸收)電路和電壓鉗位電路(雙向穩壓二極管、壓敏電阻)。本公司在設計產品時，多數產品內部已加上RC吸收回路或壓敏電阻，能起到一定保護作用，建議用戶在使用時根據負載的有關參數和環境條件，認真計算和實驗RC回路的選值。若滿足不了，應再并聯一個RC回路和壓敏保護電路。在一般情況下，RC吸收回路可以有效地抑制加至固態繼電器的瞬態電壓和電壓指數上升率(dv/dt)，壓敏電阻保護電路可以吸收寬脈沖的過電壓。RC吸收回路的RC值選擇要經過計算和驗證。經驗的選擇(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)精確值應在實驗后確定.注意不要發生振蕩.壓敏電阻的選擇同樣要經過認真的計算和驗證.一般情況下(僅供參考),在220VAC電路里使用標稱470-680V、?12-16的，在380VAC電路里使用標稱780-1000V、?12-16的。

　　(3)過熱保護

　　如固態繼電器過熱，輕則失控，重則造成永久性損壞，建議加裝過熱保護措施，通常的做法是保證固態繼電器的底板處溫度不超過75-80℃。一般的溫度保護電路就可以達到目的,比較經濟實惠的是在散熱器上靠近SSR底板處安裝溫控開關，溫升達到限定溫度時切斷SSR輸入信號。

固態繼電器工作時，在其內部芯片上存在一定的功率損耗，這個損耗功率主要由固態繼電器輸出電壓降與負載電流乘積決定，以發熱的形式消耗掉。因此散熱的好壞直接影響到固態繼電器工作的可靠性，優良的熱學設計可避免由于散熱不良造成的失敗和損壞。

　　一般而言，負載電流小于5A的固態繼電器，利用空氣對流散熱即可。要求安裝在有良好對流環境、兩個固態繼電器間距離大于一個固態繼電器的寬度。電流大于10A的固態繼電器應加裝散熱器，對于負載電流大于40A的固態繼電器，根據設計體積大小，必要時要使用風冷或水冷。

　　3、固態繼電器的應用熱設計和散熱器的選擇

　　固態繼電器在工作中內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載電流乘積決定，以發熱的形式體現。散熱的好壞直接影響到固態繼電器的最大負載電流和允許的最高工作環境溫度值，是影響固態繼電器可靠工作的重要因素之一。所以，我們應重視固態繼電器的應用熱設計和散熱器的選擇，使固態繼電器穩定可靠的工作，避免由于散熱不良而造成的固態繼電器的失效和損壞。

　　一般而言，輸出電流小于5A的固態繼電器，利用空氣自然對流，足以達到冷卻散熱的目的，但安裝時要有一個良好的對流環境，固態繼電器之間的距離不得小于一個固態繼電器的寬度。

　　負載電流大于10A的固態繼電器使用合適的散熱器是必不可少的，必要時還要進行風冷(風冷風速6米/秒)或水冷。良好的散熱條件對于固態繼電器的可靠工作是十分重要的。產品手冊中一般都會給用戶提供工作電流、通態壓降和熱阻等參數，有的還會給出工作電流/耗散功率與環境溫度/基板溫度曲線，供使用時參考。利用這些參數就可以計算出所需散熱器的熱阻，再根據散熱器廠家產品手冊上的熱阻參數選擇散熱器。