固体继电器技术特点、应用与发展

概述

     固体继电器（SSR）是继电器技术发展的一大趋势，也是近几年市场需求增长最快的继电器，在全球继电器中的比例约为8%。据预测，2001-2004年世界固体继电器年均增长率约为8.4%。受测试设备、工业控制系统及PC应用的刺激，2003年对工业用SSR的需求增长两倍左右。通讯、微处理器控制及安全设备用的SSR需求增长20%以上。据Frost & Sullivan报告，有从机电继电器转向较贵的固体继电器趋势。

     固体继电器的主要优点是：

（1） 无运动零部件，无机械磨损，无动作噪声，无机械故障，可靠性高；

（2） 无燃弧触点，无触点间的火花、电弧，无触点抖动和磨损，对外干扰小；

（3） 开关速度迅速，动作时间可达10-3S以下；

（4） 灵敏度高，控制功率小，可达10-3以下，能很好地与TTL、CMOS电路兼容；

（5） 抗冲击振动性能优良，容易实现“零”压切换；

（6） 一般用绝缘材料灌封成全封闭整体，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，防爆性能也极佳；

（7） 半导体器件作为开关工作，寿命长；

（8） 易实现附加功能。

正因为SSR具有上述突出优点，其应用在不断扩大。

与电磁断电器相比，SSR有以下弱点：

（1） 固体“触点”导通时有一定的压降，可达1-2V，消耗一定的功率，直接影响SSR所控制的最大负电流和所允许的最高环境温度，过载能力差，易导致热损坏；

（2） 固体“触点”断开时存在一定的漏电流，使输出回路不能真正断电；

（3） 易受温度和幅射影响，参数稳定性能差。由于它对瞬态失误极敏感，有时要求附加保护器件；

（4） 一般来说，体积比机电式继电器大，价格贵，对功率负载，还要加装散热片，进一步增加了空间与成本；

（5） 实现多组和多组转换较为困难；

（6） 直流SSR一般分正极和负极输出端，使用中通用性差；

（7） 通、断阻抗比远小于有触点开关，抗干扰能力差。

    这些弱点的存在，使SSR的应用在一些方面受到限制。因而，SSR和机电继电器将会较长期共存，互为补充、相互促进、结合发展，两者将以各自的独特的优点，在其最适合的领域里得到广泛的应用。

   SSR在美国和日本发展较快。在美国SSR占其继电器市场份额达10%以上。而我国仅占继电器市场1%左右，市场潜力较大。据预测，我国SSR市场将以每年20%的速度递增，主要在电信、航空电子、数据处理、工业控制系统、办公设备、汽车控制开关和测试设备、仪表等领域应用。

     固体继电器使用中应注意的问题

     SSR性能参数测试时应注意以下几点：

1）测试直流SSR接通和关断电压时，输入电压不能长时间处于接通与关断之间，否则输出端功耗急剧上升，容易烧坏输出开关元件。

2）测试中不要随意加快动作速率（一般输入信号的一个周期长应为接通和关断时间之和的10倍以上）,否则因动态开关损耗大无法工作，甚至烧坏输出开关元件。

3）测试时，首先要了解输出电流与壳温（环境温度）之间的关系曲线（壳温上升或不带散热器时额定输出电流会下降），避免过载引起永久性失效。

4）SSR在关断状态下输出两端不能实现完全的隔离，存在一定的漏电流,在较高电压下测试介质耐压和绝缘电阻在使用时，易发生触电事故。输出两端绝不可测试绝缘电阻或耐压。

SSR使用中应注意的问题

1）在实际使用时，必须使产品的实际使用条件完全符合产品各项参数和特性曲线的要求。

2）SSR受温度影响较大，使用时要考虑好散热(一般负载电流>5A时应装散热片)，当环境温度高时，SSR的负载能力必然相应下降，因此选用SSR时须留有一定的余量。

3）当继电器处于导通状态时，将承受P=V（管压降）×I（负载）的耗散功率。因此必须根据实际工作环境，合理选用散热器的尺寸或降低负载电流使用。

4）SSR不允许过压过流工作。由于白炽灯、电炉等负载的“冷阻”特性，将导致开通瞬间的浪涌电流（一般为额定负载电流的7倍或更大）。对此类负载，负载能力应留有充分的余量。

5）在实际运行中负载短路极易造成继电器损坏。应采用快速熔断器和空气开关保护，避免因负载短路造成继电器损坏。

6）输入工作电压的波动系数应保证在5%以内。

7）为了确保继电器正常工作，环境温度较低时应适当增大输入电流，温度较高时应适当减小输入电流值。

8）若输入电压过高，接近或超过极限时，可外接限流电阻。

9）若用IC直接驱动继电器输入时，应有足够的负载能力和尽可能低的“0”电平输入。

输出端工作条件：

为确保SSR可靠工作，必须正确使用继电器的最大极限参数和采取必要的保护方法。

1） 峰值电压选择：对于不同性质的负载应正确选择继电器的最大峰值电压。

电感负载：应选取线路电压（有效值）的2-3倍。

纯电阻负载：应选取线路电压（有效值）的1.5-2倍。

2） 输出端RC浪涌吸收回路：继电器的内部装有RC浪涌吸收网络。可根据实际需要外接RC吸收网络。

3） 电源端使用RC浪涌吸收回路：以消除电网在切换时产生的瞬变电压对继电器造成的损坏。

4） SSR开路时，开路电阻不是无穷大，产生一定的漏电流，设计线路时要注意到。

SSR常见失效及原因分析

1）、继电器不断开：

（1） 负载电流大于SSR的额定切换电流，这样会使继电器永久短路，此时应使用额定电流较大的SSR。

（2） 在继电器所处的环境温度下，对于所承受的电流来说如散热不良，会损坏输出半导体器件，此时应使用较大的或更有效的散热片。

（3） 线电压瞬变引起SSR输出部分穿通，此时应使用额定电压较高的SSR或提供额外的瞬态保护电路。

（4） 使用的线电压高于SSR的额定电压。

2）、切断输入后SSR才断开：

     在SSR应该断开的时候，测量输入电压，如果测得的电压低于必须释放电压，表明断电器的释放电压太低，应更换继电器如果测得的电压高于SSR的必须释放电压，则是SSR输入端前面的线路有问题，必须改正。

3）、继电器不导通

（1） 在继电器应该导通时，测量输入电压，如果该电压低于必须动作电压，表明SSR输入端前面的线路有问题；如果输入电压高于必须动作电压，查对电源极性并在必要时加以更正。

（2） 测量SSR的输入电流，如无电流，则系SSR开路，该继电器有故障；如果有电流，但低于继电器的动作值，是SSR前面的线路有问题，必须改正。

（3） 检查SSR的输入部分，测量SSR输出两端的电压，如果电压低于1V，表明继电器以外的线路或负载开路并应进行修理；如果存在线电压，则可能是负载短路，使电流过大引起继电器失效。

继电器工作不规则

1） 检查所有接线是否正确、连接不牢或不正确产生的故障。

2） 检查输入和输出的引线是否在一起。

3） 对于非常灵敏的SSR，噪声也能耦合到输入端而引起不规则导通。

交流电动机或螺线管负载造成颤动

由于交变的dv/dt问题，SSR可以有半周波动，此时，采用缓冲器是有帮助的。

固体继电器技术发展趋势

   SSR一般由三个部分组成：输入（控制电路）部分、隔离（或耦合）部分和输出（或负载电路）部分。与机电继电器相比，耦合部分是固态继电器关键之一。按隔离形式SSR分为光隔离型与磁隔离型。

    光隔离式和变压器式隔离直流性能比较如表1所示。光隔离式线路简单，可以做到全硅化，输入电压范围大，灵敏度高，输出线路可以构成多种形式，但由于光耦中的发光二极管老化效应和受温度影响圈套，使其寿命和可靠性受到一定限制。光MOS继电器被认为是第三代SSR，其主要优点在于泄漏电流小，1/0隔离性好，输出特性优良；变压器隔离因是永久性器件，无明显老化，其可靠性、温度范围、反应时间等都比光电隔离式优越。但因其有振荡电路，在激励期间一直在幅射电磁能，对外形成电磁干扰。

   我国SSR的主要生产厦门宏发电声有限公司、厂家有青岛大星电子有限公司、北京科通电子继电器总厂、苏州半导体厂、咸海新佳电子公司、北京希漫顿自动化研究所，陕西群力无线电器材厂（792厂）、江苏高邮市东郊自动控制器件厂、北京特立电子有限公司、北京如春新技术开发研究所、上海超诚电子技术研究所、桂林航天电器公司、无锡市固态继电器厂、无锡市康裕电器元件厂、苏州无线电元件一厂、衢州电子继电器研究所、杭州朗宁电子有限公司、乐清市利尔清继电器有限公司、宁波阳明机电有限公司、齐齐哈尔电子半导体器件厂等。

    从SSR设计技术来讲，各生产厂家的差异主要在线路设计、芯牌制造工艺及控制。纵观全球，SSR技术发展方向：①减小导通电阻，扩大应用范围。②降低大功率SSR的成本。目前，电功率SSR的售价已下降50%左右。③微小型化。SE系列SSR的质量仅4g。④高速化。⑤高压/大电流牌式化。⑥耐高压/大电流的三相继电器电压240V-480V电流通渠道50-150A，带有AC/DC控制和零电压开关。⑦开发特殊用途的SSR，如高可靠性SSR（耐振动、冲击、抗辐照等）、高温SSR（125℃、200℃）、射频SSR、高压SSR（10万V）、高绝子元SSR（1015Ω）等。

    SSR目前重点是开发低价位、高可靠、小型化家电用SSR、汽车用SSR、大功率SSR、智能化SSR及特种SSR。

    我国已将SSR列为新型电子元器件“十五”发展重点。随着电子技术、光电子技术的SSR性能不断提高，导通电阻降至  以下，断路漏电流1WA以下，天并时间降至10us以下，负载能力直流达1000A，可实现多组转换。