随着电子控制渗透到消费、商业、医疗和工业应用中，对低电压或低电流电路切换高压或高电流电路的需求日益增加。虽然机电继电器 （EMR） 有其一席之地，但固态继电器（SSR）因其体积小、成本低、速度快、电气和可听噪声低以及可靠性而成为首选。本文将介绍SSR的细微差别，如何正确应用它们，并介绍一些最新的 SSR 解决方案来解决开关更高电压和电流的问题。

固态继电器（SSR）有各种其他名称，具体取决于制造商或供应商,无论使用何种命名法，工作原理都是相同的，并且是众所周知且广泛使用的光耦合器（也称为光隔离器）的扩展。在最简单的形式中，输入侧有一个LED，输出侧有一个光电晶体管，由毫米量级的光路隔开（图1）。根据电压和电流水平，可以使用光敏SCR或TRIAC代替光电晶体管。

图 1：光隔离器

当LED通电时，它产生的光子为光电晶体管通电，然后光电晶体管进入导电模式，允许电流流向负载。这称为“打开”状态。当LED熄灭时，光电晶体管熄灭或不导电，看起来像一个良好（但不完美）的开路。

由于LED/光电晶体管的分离以及光学透明的绝缘屏障，LED和光电晶体管之间的电流隔离通常在几千伏的范围内。请注意，隔离是一个电压击穿参数，与输入到输出电阻不同，后者约为1000至1万兆欧（通常松散地称为“无限”电阻）。打开和关闭状态之间的切换时间通常指定为几微秒。

但是完整的SSR不仅仅是一个LED和光电晶体管或光敏 SCR/TRIAC。它还需要在输入 LED 侧和输出光敏侧安装额外的电路和功能（图 2）。

图 2：完整的 SSR 需要在输入 LED 侧和输出光敏侧安装额外的电路和功能。

虽然 SSR 是相对简单的器件，但存在与输入、隔离负载的大小和类型相关的设计引入考虑因素，以及使用时需要考虑的特殊情况。

选择 SSR 时，设计人员需要知道输入驱动电平和类型（交流或直流），以及负载特性，包括最大电流、最大电压和类型（同样是交流或直流）。SSR 可以在几伏到几十甚至更高的电压下驱动，尽管较低电压输入越来越普遍，并且出于安全和效率原因与现代电子设备更兼容。

如果输入驱动器是直流驱动器，则可能能够直接驱动SSR输入LED。如果是交流电，设计人员需要在SSR之前添加一个桥式整流器。很可能有一个其他相同的 SSR，并且桥已经内置到单元中。内部整流选项通常是一个明智的选择，因为它避免了处理细微的布局问题，同时还提供了完全指定的输入/输出性能。SSR 的典型输入灵敏度约为 6 毫瓦 （mW）。

SSR 的输出侧比输入侧复杂一些，具体取决于负载的性质。如果SSR的输出只是一个晶体管、FET或单个SCR，则它只能在一个方向上导电。因此，它只能与直流负载一起使用，例如非线路供电加热器。对于交流负载，使用三端双向可控硅或SCR对。供应商通常提供仅具有直流或交流输出的类似 SSR。通常，交流输出 SSR 也可用于直流。输出额定值范围很宽，从几伏或安培到几十和几百伏或安培。

SSR 选项：常开/常闭触点和多极

标准 SSR 具有单个常开 （NO） 输出布置。然而，有许多应用需要相反的常闭（NC）配置，当输入级通电时，输出级打开。此外，有些设计同时需要常开和常闭动作，甚至需要一个常开、一个常闭和几个其他接触极的组合。

为了满足对多极以及常开和常闭触点的需求，用户可以添加定制的输出电路，但这种方法至少存在四个问题。首先，它通常是高电压和/或高电流场景，因此设计存在许多固有挑战。其次，它需要满足并获得各种监管安全标准的批准。第三，这是在项目中要做的另一件事。第四，验证结果性能是一项复杂的任务。

或者，用户可以通过一个小电路反转输入信号，以便在没有信号的情况下闭合 NO SSR，并在施加输入信号时打开。但是，当输入侧电源发生故障时，这会带来与 SSR 输出状态相关的潜在安全问题，因为继电器输出将恢复到其“本机”NO 状态。回想一下，根据隔离的定义，SSR 的输入功率和输出电源是独立的。因此，设计人员可能无法保证已知的故障安全输出模式。

当需要多个极时，可以串联或并联驱动多个 SSR。这是一个可行的解决方案，但需要仔细考虑所需的驱动电流和电压，以及串联或并联拓扑中器件故障的后果。使用多个 SSR 还会增加 BOM 并占用更多电路板空间。

认识到这些常开/常闭和多极需求，供应商在 SSR 中添加了额外的电路，以提供具有全面测试和认证的不同输出安排。其中许多 SSR 可通过具有类似规格的系列获得，但输出配置的细节简化了它们的选择和使用。

例如，IXYS 集成电路部门提供三种性能几乎相同且 3，750 V 的 SSR有效值输入/输出隔离，但具有不同的输出结构：

 LAA110包含两个单极常开（1 型 A）继电器，每个继电器的额定电压为 350 伏/120 mA（交流或直流），并提供 8 针 DIP、SMT 和扁平封装外壳（图 3）。

图 3：IXYS 的 LAA110 是一款基本的双通道 SSR，具有两个独立的输入和各自的 NO 输出。

SSR 保护和限制

尽管 SSR 相当坚固，但在某些情况下它们需要一些额外的保护。对于切换阻性（非感性）交流负载的 SSR，例如白炽灯泡的加热器，可能需要指定同步 SSR 仅在交流线路过零时打开/关闭输出，而不考虑输入控制信号时序（图 4）。

图 4：同步 SSR 设计为仅在交流线路过零时切换其输出，以最大限度地减少 EMI 的产生：a） 阻性负载的非同步 SSR 波形;b） 阻性负载的同步 SSR 波形。

仅在过零处切换将最大限度地减少或消除在周期中间启动或终止交流输出波形所产生的线路和辐射噪声。但是，设计人员需要注意，过零SSR可能无法在高感性负载下关断。为了解决这个问题，SSR 供应商还提供所谓的随机开关 SSR，这些 SSR 在输入转换需要的瞬间打开/关闭。同样，设计人员必须了解负载并从供应商目录中选择合适的 SSR。

在使用 SSR 时，由于内部损耗，还存在热方面的考虑因素。即使输出导通，有源元件上也会有一个小而关键的压降，就像驱动电机的MOSFET一样。产生的热量必须由 SSR 散发。因此，供应商提供的 SSR 规格定义了最大负载下的允许工作温度以及热降额曲线。SSR 的热环境可以使用标准工具进行建模。较大的 SSR 具有较高的产生热量，可能需要更复杂的散热布置，而较小的 SSR 通常可以使用标准 IC 散热器。

用于具有更高散热要求的较大负载的 SSR 也具有越来越大的物理配置。SSR 采用各种外壳，从用于较小负载的 6 引脚 SOIC 到用于较大负载的大型模块，以及可面板安装、导轨安装或独立式封装。