固态继电器设计的现代方法

1.前言

固态继电器 (SSR) 是一种基于半导体的设备，用于对负载进行开/关控制。SSR中通常使用的半导体包括两种类型的功率晶体管和两种类型的晶闸管。功率晶体管包括双极结型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。晶闸管包括可控硅整流器 (SCR) 和三极交流开关 (TRIAC)。

一个小的外部电压或电流控制这些半导体。因此，半导体可以使用低输入功率控制高输出功率负载。负载电流可以是交流电 (AC) 或直流电 (DC)，这将决定用于执行开关功能的半导体类型。除了负载控制，SSR 可以是隔离的或非隔离的，具体取决于应用。

与机电继电器 (EMR) 相比，SSR 没有会磨损并限制终端设备寿命的机械触点。可以使用 SSR 的终端设备的一些示例包括加热、通风和空调 (HVAC) 系统控制、恒温器、工厂自动化中的可编程逻辑控制器 (PLC) 以及测试和测量设备。

2.控制交流负载

晶闸管和功率 MOSFET 通常控制交流负载。晶闸管是一种锁存器件，当栅极接收到电流脉冲时开始导通，并将继续导通直到电流降至零。晶闸管系列包括 SCR 和 TRIAC。SCR 是一个单向和半可控开关，当负载电流降至零时它会关闭。

由于 SCR 的单向功能，配置有两个反向并联 SCR 的 TRIAC 控制 AC 电流，如图 1 所示。TRIAC 将允许正负电流的导通可控性。电流下降到零的延迟时间最长为半个周期，介于栅极控制信号的去除和电流下降到零之间。当需要控制关断时间时，这是不理想的。例如，今天的智能恒温器包括更多需要更多功率的功能。恒温器可以通过 HVAC 电源自行供电，而不是消耗恒温器电池的额外电力。这只有在开启和关闭时间都可控的情况下才有可能。 

图 1：带交流负载的 TRIAC SSR

解决这个问题的方法是功率 MOSFET。功率 MOSFET 是双向的，但只能在一个方向上完全可控。通过串联使用两个 MOSFET，如图 2 所示的配置，可以完全控制交流电流以及 MOSFET 的开启和关闭时间。图 3a 显示了电流如何流过 MOSFET。

在关断期间，两个 MOSFET 的体二极管将阻止电流流动。顶部体二极管反向偏置正电压，底部体二极管反向偏置负电压，如图 3b所示。栅极驱动电路的输入电容和电流驱动能力决定了 MOSFET 的开启和关闭时间。

图 2：具有交流负载的功率 MOSFET SSR

图 3：导通期间流过 MOSFET SSR 的电流 (a)；和下班时间 (b)

凭借其低导通电阻、宽电流和电压能力以及各种封装选项，包括经过工业认证的 LGA 器件，尺寸一直低至 1.53 mm x 0.77 mm，可以轻松地将我们的设计与 TI 的 MOSFET 整合在一起，而不会影响性能. 例如，采用 3.3mm x 3.3mm SON 封装的 100V NexFET™ CSD19537Q3 N 沟道功率 MOSFET 可以控制建筑物中 HVAC 系统的交流负载。

3.控制直流负载

功率 BJT 或 MOSFET 通常控制直流负载。正如我之前提到的，功率 BJT 是一种单向且完全可控的器件，而功率 MOSFET 是双向的，但在一个方向上是完全可控的。由于直流电流负载是一种极性，因此只需要一个 BJT 或 MOSFET，如图 4 所示。这两种器件都需要一个恒定的控制信号来保持导通状态。SCR 和 TRIAC 不适合此应用，因为直流负载不会变为零并使设备自然关闭。直流负载的一个示例是家用电器或工业系统中的直流电机。

图 4：带有功率 BJT 的直流负载 SSR（a）；和 MOSFET (b)

4.隔离

SSR 用于需要控制高压或多个负载的应用。将两个或多个负载组合到一个系统中时，必须进行隔离。在这种情况下，即使在低压系统中，使用隔离来保持接地分离也很重要。SSR 中使用的两种典型隔离方法是变压器耦合和光隔离器耦合。

在变压器耦合中，施加到变压器初级和次级侧的控制信号触发电源开关。变压器的一个好处是可以将功率与信号一起传输到次级侧电路。

在光隔离器耦合中，光敏半导体感应由光源或红外源（如发光二极管 (LED)）施加的控制信号。来自光敏半导体的信号触发电源开关。这种方法不涉及控制输入和负载之间的电气连接，确保电气隔离。一个缺点是我们必须为不包括光可控硅的次级侧电路提供单独的电源。

在不需要隔离的情况下（例如在控制单个负载的低压系统中），可以直接进行交流和直流控制。直接控制是指控制电路在没有额外隔离的情况下提供触发。由于其简化的设计，当成本是主要目标时，直接控制更可取。