基于固態(tài)繼電器（SSR）交流負(fù)荷控制參考設(shè)計(jì)

合著者M(jìn)iro Oljaca與TatTIana Davenport

固態(tài)繼電器(SSR)是用于負(fù)荷通/斷控制的半導(dǎo)體型裝置。通常用于SSR的半導(dǎo)體包括兩種類型的功率晶體管與兩種類型的晶閘管。功率晶體管包括雙極結(jié)型晶體管(BJT)與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。晶閘管包括硅控整流器(SCR)與三極管交流開(kāi)關(guān) (TRIAC)。

用一個(gè)很小的外部電壓或電流控制這些半導(dǎo)體。因此，半導(dǎo)體可以利用低輸入功率控制高輸出功率型負(fù)荷。負(fù)荷電流可以是交流(AC)或直流(DC)，這決定了用于執(zhí)行切換功能的半導(dǎo)體類型。除負(fù)荷控制外，可取決于具體應(yīng)用將SSR絕緣或半絕緣。

相比機(jī)電繼電器(EMR)，SSR不具有可能磨損并限制末端設(shè)備使用壽命的機(jī)械觸點(diǎn)?？梢岳肧SR的一些末端設(shè)備包括諸如暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)控制、恒溫器、工廠自動(dòng)化可編程邏輯控制器(PLC)與測(cè)試測(cè)量設(shè)備。

  控制交流負(fù)荷

晶閘管與功率MOSFET通?？刂平涣髫?fù)荷。晶閘管是一個(gè)閉鎖裝置，在柵極接收到電流脈沖時(shí)開(kāi)始導(dǎo)電并將持續(xù)導(dǎo)電，直到電流降為零。晶閘管系列包括SCR和TRIAC。SCR是一個(gè)單向半可控開(kāi)關(guān)，在負(fù)荷電流降為零時(shí)斷開(kāi)。

由于SCR的單向功能，用一個(gè)配置有兩個(gè)反并聯(lián)SCR的TRIAC控制交流電流，如圖1所示。TRIAC將使正負(fù)電流實(shí)現(xiàn)接通可控性。電流降為零的延遲時(shí)間最長(zhǎng)為半個(gè)周期，在柵控信號(hào)消除與電流降為零之間。這在無(wú)需控制斷開(kāi)時(shí)間時(shí)并非理想狀態(tài)。例如，當(dāng)今的智能恒溫器包括更多功能，需要更高功率。恒溫器可通過(guò)HVAC電源自供電，而非消耗來(lái)自恒溫器電池的額外功率。此方案僅在接通與斷開(kāi)時(shí)間受控時(shí)可行。

圖1：帶一個(gè)交流負(fù)荷的TRIAC SSR

此問(wèn)題的解決方案是功率MOSFET。功率MOSFET為雙向性，但僅在一個(gè)方向完全可控。通過(guò)采用兩個(gè)串聯(lián)的MOSFET，如圖2所示的配置方案，可完全控制交流電流以及MOSFET的接通與斷開(kāi)時(shí)間。利用任一個(gè)MOSFET的體二極管，正負(fù)電流均可在接通時(shí)間內(nèi)流動(dòng)。圖3a所示為電流如何流經(jīng)MOSFET及其相應(yīng)的體二極管。

在斷開(kāi)期間，兩個(gè)MOSFET的體二極端均會(huì)阻止電流流動(dòng)。頂部體二級(jí)管針對(duì)正電壓施加反向偏壓，底部體二極管針對(duì)負(fù)電壓施加反向偏壓，如圖3b所示。柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入電容與電流驅(qū)動(dòng)能力決定MOSFET的接通與斷開(kāi)時(shí)間。

圖2：帶一個(gè)交流負(fù)荷的MOSFET SSR

圖 3：電流在接通時(shí)間 (a) 流經(jīng)MOSFET SSR；斷開(kāi)時(shí)間 (b)

由于低導(dǎo)通電阻與廣域電流/電壓能力，并得益于各種成套選項(xiàng)，包括經(jīng)業(yè)內(nèi)認(rèn)可且測(cè)量精度可達(dá)1.53 mm x 0.77 mm的LGA裝置，你可輕松借助TI的MOSFET強(qiáng)化你的設(shè)計(jì)，而無(wú)需在性能上妥協(xié)。例如，100V NexFET™ CSD19537Q3 采用3.3-mm x 3.3-mm SON封裝的N通道功率MOSFET可以控制建筑物內(nèi)HVAC系統(tǒng)的交流負(fù)荷。

  控制直流負(fù)荷

功率BJT或MOSFET通?？刂浦绷髫?fù)荷。功率BJT為單向且完全可控裝置，功率MOSFET則為雙向性但僅在一個(gè)方向可控，如前文I中所述。由于直流電流為單極性，僅需要一個(gè)BJT或MOSFET，如圖4所示。這兩個(gè)裝置均需要一個(gè)恒定的控制信號(hào)以保持在接通狀態(tài)。SCR與TRIAC不適合此類應(yīng)用，因?yàn)橹绷髫?fù)荷的電流不會(huì)變?yōu)榱悴⑹惯@兩種裝置自然斷開(kāi)。直流負(fù)荷的一個(gè)示例是家用電器或工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的直流電機(jī)。

圖4：帶一個(gè)功率BJT (a)或功率MOSFET (b)的直流負(fù)荷SSR

  絕緣

SSR用于需要高壓或多負(fù)荷控制的應(yīng)用情況。將兩個(gè)或更多負(fù)荷整合至一個(gè)系統(tǒng)時(shí)必須進(jìn)行絕緣。此類情況下，即使是在低壓系統(tǒng)內(nèi)，也應(yīng)務(wù)必借助絕緣措施保持接地分離。用于SSR的兩種典型的絕緣方法是變壓器耦合與光絕緣器耦合。

在變壓器耦合中，施加至變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的控制信號(hào)觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)。變壓器的益處是功率可隨著傳送至二次則電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

在光絕緣器耦合中，光敏半導(dǎo)體感測(cè)由諸如發(fā)光二極管(LED)等光源或紅外線源施加的控制信號(hào)。光敏半導(dǎo)體發(fā)出的信號(hào)觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)。此方法不涉及控制輸入與負(fù)荷之間的電氣連接，可確保電氣絕緣。缺點(diǎn)是你必須向不包括光耦可控硅的二極側(cè)電路提供一個(gè)獨(dú)立電源。