基于固态继电器（SSR）交流负荷控制参考设计

合著者Miro Oljaca与Tattiana Davenport

固态继电器(SSR)是用于负荷通/断控制的半导体型装置。通常用于SSR的半导体包括两种类型的功率晶体管与两种类型的晶闸管。功率晶体管包括双极结型晶体管(BJT)与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。晶闸管包括硅控整流器(SCR)与三极管交流开关 (TRIAC)。

用一个很小的外部电压或电流控制这些半导体。因此，半导体可以利用低输入功率控制高输出功率型负荷。负荷电流可以是交流(AC)或直流(DC)，这决定了用于执行切换功能的半导体类型。除负荷控制外，可取决于具体应用将SSR绝缘或半绝缘。

相比机电继电器(EMR)，SSR不具有可能磨损并限制末端设备使用寿命的机械触点。可以利用SSR的一些末端设备包括诸如暖通空调(HVAC)系统控制、恒温器、工厂自动化可编程逻辑控制器(PLC)与测试测量设备。

  控制交流负荷

晶闸管与功率MOSFET通常控制交流负荷。晶闸管是一个闭锁装置，在栅极接收到电流脉冲时开始导电并将持续导电，直到电流降为零。晶闸管系列包括SCR和TRIAC。SCR是一个单向半可控开关，在负荷电流降为零时断开。

由于SCR的单向功能，用一个配置有两个反并联SCR的TRIAC控制交流电流，如图1所示。TRIAC将使正负电流实现接通可控性。电流降为零的延迟时间最长为半个周期，在栅控信号消除与电流降为零之间。这在无需控制断开时间时并非理想状态。例如，当今的智能恒温器包括更多功能，需要更高功率。恒温器可通过HVAC电源自供电，而非消耗来自恒温器电池的额外功率。此方案仅在接通与断开时间受控时可行。

 

 

图1：带一个交流负荷的TRIAC SSR

此问题的解决方案是功率MOSFET。功率MOSFET为双向性，但仅在一个方向完全可控。通过采用两个串联的MOSFET，如图2所示的配置方案，可完全控制交流电流以及MOSFET的接通与断开时间。利用任一个MOSFET的体二极管，正负电流均可在接通时间内流动。图3a所示为电流如何流经MOSFET及其相应的体二极管。

在断开期间，两个MOSFET的体二极端均会阻止电流流动。顶部体二级管针对正电压施加反向偏压，底部体二极管针对负电压施加反向偏压，如图3b所示。栅极驱动电路的输入电容与电流驱动能力决定MOSFET的接通与断开时间。

 

 

图2：带一个交流负荷的MOSFET SSR

 

 

图 3：电流在接通时间 (a) 流经MOSFET SSR；断开时间 (b)

由于低导通电阻与广域电流/电压能力，并得益于各种成套选项，包括经业内认可且测量精度可达1.53 mm x 0.77 mm的LGA装置，你可轻松借助TI的MOSFET强化你的设计，而无需在性能上妥协。例如，100V NexFET™ CSD19537Q3 采用3.3-mm x 3.3-mm SON封装的N通道功率MOSFET可以控制建筑物内HVAC系统的交流负荷。

  控制直流负荷

功率BJT或MOSFET通常控制直流负荷。功率BJT为单向且完全可控装置，功率MOSFET则为双向性但仅在一个方向可控，如前文I中所述。由于直流电流为单极性，仅需要一个BJT或MOSFET，如图4所示。这两个装置均需要一个恒定的控制信号以保持在接通状态。SCR与TRIAC不适合此类应用，因为直流负荷的电流不会变为零并使这两种装置自然断开。直流负荷的一个示例是家用电器或工业系统内的直流电机。

 

 

图4：带一个功率BJT (a)或功率MOSFET (b)的直流负荷SSR

  绝缘

SSR用于需要高压或多负荷控制的应用情况。将两个或更多负荷整合至一个系统时必须进行绝缘。此类情况下，即使是在低压系统内，也应务必借助绝缘措施保持接地分离。用于SSR的两种典型的绝缘方法是变压器耦合与光绝缘器耦合。

在变压器耦合中，施加至变压器一次侧与二次侧的控制信号触发功率开关。变压器的益处是功率可随着传送至二次则电路的信号转换。

在光绝缘器耦合中，光敏半导体感测由诸如发光二极管(LED)等光源或红外线源施加的控制信号。光敏半导体发出的信号触发功率开关。此方法不涉及控制输入与负荷之间的电气连接，可确保电气绝缘。缺点是你必须向不包括光耦可控硅的二极侧电路提供一个独立电源。