固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)的現(xiàn)代方法

1.前言

固態(tài)繼電器 (SSR) 是一種基于半導(dǎo)體的設(shè)備，用于對(duì)負(fù)載進(jìn)行開/關(guān)控制。SSR中通常使用的半導(dǎo)體包括兩種類型的功率晶體管和兩種類型的晶閘管。功率晶體管包括雙極結(jié)型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。晶閘管包括可控硅整流器 (SCR) 和三極交流開關(guān) (TRIAC)。

一個(gè)小的外部電壓或電流控制這些半導(dǎo)體。因此，半導(dǎo)體可以使用低輸入功率控制高輸出功率負(fù)載。負(fù)載電流可以是交流電 (AC) 或直流電 (DC)，這將決定用于執(zhí)行開關(guān)功能的半導(dǎo)體類型。除了負(fù)載控制，SSR 可以是隔離的或非隔離的，具體取決于應(yīng)用。

與機(jī)電繼電器 (EMR) 相比，SSR 沒有會(huì)磨損并限制終端設(shè)備壽命的機(jī)械觸點(diǎn)?？梢允褂?SSR 的終端設(shè)備的一些示例包括加熱、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)控制、恒溫器、工廠自動(dòng)化中的可編程邏輯控制器 (PLC) 以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)備。

2.控制交流負(fù)載

晶閘管和功率 MOSFET 通?？刂平涣髫?fù)載。晶閘管是一種鎖存器件，當(dāng)柵極接收到電流脈沖時(shí)開始導(dǎo)通，并將繼續(xù)導(dǎo)通直到電流降至零。晶閘管系列包括 SCR 和 TRIAC。SCR 是一個(gè)單向和半可控開關(guān)，當(dāng)負(fù)載電流降至零時(shí)它會(huì)關(guān)閉。

由于 SCR 的單向功能，配置有兩個(gè)反向并聯(lián) SCR 的 TRIAC 控制 AC 電流，如圖 1 所示。TRIAC 將允許正負(fù)電流的導(dǎo)通可控性。電流下降到零的延遲時(shí)間最長(zhǎng)為半個(gè)周期，介于柵極控制信號(hào)的去除和電流下降到零之間。當(dāng)需要控制關(guān)斷時(shí)間時(shí)，這是不理想的。例如，今天的智能恒溫器包括更多需要更多功率的功能。恒溫器可以通過(guò) HVAC 電源自行供電，而不是消耗恒溫器電池的額外電力。這只有在開啟和關(guān)閉時(shí)間都可控的情況下才有可能。 

圖 1：帶交流負(fù)載的 TRIAC SSR

解決這個(gè)問題的方法是功率 MOSFET。功率 MOSFET 是雙向的，但只能在一個(gè)方向上完全可控。通過(guò)串聯(lián)使用兩個(gè) MOSFET，如圖 2 所示的配置，可以完全控制交流電流以及 MOSFET 的開啟和關(guān)閉時(shí)間。圖 3a 顯示了電流如何流過(guò) MOSFET。

在關(guān)斷期間，兩個(gè) MOSFET 的體二極管將阻止電流流動(dòng)。頂部體二極管反向偏置正電壓，底部體二極管反向偏置負(fù)電壓，如圖 3b所示。柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入電容和電流驅(qū)動(dòng)能力決定了 MOSFET 的開啟和關(guān)閉時(shí)間。

圖 2：具有交流負(fù)載的功率 MOSFET SSR

圖 3：導(dǎo)通期間流過(guò) MOSFET SSR 的電流 (a)；和下班時(shí)間 (b)

憑借其低導(dǎo)通電阻、寬電流和電壓能力以及各種封裝選項(xiàng)，包括經(jīng)過(guò)工業(yè)認(rèn)證的 LGA 器件，尺寸一直低至 1.53 mm x 0.77 mm，可以輕松地將我們的設(shè)計(jì)與 TI 的 MOSFET 整合在一起，而不會(huì)影響性能. 例如，采用 3.3mm x 3.3mm SON 封裝的 100V NexFET? CSD19537Q3 N 溝道功率 MOSFET 可以控制建筑物中 HVAC 系統(tǒng)的交流負(fù)載。

3.控制直流負(fù)載

功率 BJT 或 MOSFET 通常控制直流負(fù)載。正如我之前提到的，功率 BJT 是一種單向且完全可控的器件，而功率 MOSFET 是雙向的，但在一個(gè)方向上是完全可控的。由于直流電流負(fù)載是一種極性，因此只需要一個(gè) BJT 或 MOSFET，如圖 4 所示。這兩種器件都需要一個(gè)恒定的控制信號(hào)來(lái)保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR 和 TRIAC 不適合此應(yīng)用，因?yàn)橹绷髫?fù)載不會(huì)變?yōu)榱悴⑹乖O(shè)備自然關(guān)閉。直流負(fù)載的一個(gè)示例是家用電器或工業(yè)系統(tǒng)中的直流電機(jī)。

圖 4：帶有功率 BJT 的直流負(fù)載 SSR（a）；和 MOSFET (b)

4.隔離

SSR 用于需要控制高壓或多個(gè)負(fù)載的應(yīng)用。將兩個(gè)或多個(gè)負(fù)載組合到一個(gè)系統(tǒng)中時(shí)，必須進(jìn)行隔離。在這種情況下，即使在低壓系統(tǒng)中，使用隔離來(lái)保持接地分離也很重要。SSR 中使用的兩種典型隔離方法是變壓器耦合和光隔離器耦合。

在變壓器耦合中，施加到變壓器初級(jí)和次級(jí)側(cè)的控制信號(hào)觸發(fā)電源開關(guān)。變壓器的一個(gè)好處是可以將功率與信號(hào)一起傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)電路。

在光隔離器耦合中，光敏半導(dǎo)體感應(yīng)由光源或紅外源（如發(fā)光二極管 (LED)）施加的控制信號(hào)。來(lái)自光敏半導(dǎo)體的信號(hào)觸發(fā)電源開關(guān)。這種方法不涉及控制輸入和負(fù)載之間的電氣連接，確保電氣隔離。一個(gè)缺點(diǎn)是我們必須為不包括光可控硅的次級(jí)側(cè)電路提供單獨(dú)的電源。

在不需要隔離的情況下（例如在控制單個(gè)負(fù)載的低壓系統(tǒng)中），可以直接進(jìn)行交流和直流控制。直接控制是指控制電路在沒有額外隔離的情況下提供觸發(fā)。由于其簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，當(dāng)成本是主要目標(biāo)時(shí)，直接控制更可取。