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1.前言

固態繼電器 (SSR) 是一種基于半導體的設備，用于對負載進行開/關控制。SSR中通常使用的半導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型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。晶閘管包括可控硅整流器 (SCR) 和三極交流開關 (TRIAC)。

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

與機電繼電器 (EMR) 相比，SSR 沒有會磨損并限制終端設備壽命的機械觸點。可以使用 SSR 的終端設備的一些示例包括加熱、通風和空調 (HVAC) 系統控制、恒溫器、工廠自動化中的可編程邏輯控制器 (PLC) 以及測試和測量設備。

2.控制交流負載

晶閘管和功率 MOSFET 通常控制交流負載。晶閘管是一種鎖存器件，當柵極接收到電流脈沖時開始導通，并將繼續導通直到電流降至零。晶閘管系列包括 SCR 和 TRIAC。SCR 是一個單向和半可控開關，當負載電流降至零時它會關閉。

由于 SCR 的單向功能，配置有兩個反向并聯 SCR 的 TRIAC 控制 AC 電流，如圖 1 所示。TRIAC 將允許正負電流的導通可控性。電流下降到零的延遲時間最長為半個周期，介于柵極控制信號的去除和電流下降到零之間。當需要控制關斷時間時，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 HVAC 電源自行供電，而不是消耗恒溫器電池的額外電力。這只有在開啟和關閉時間都可控的情況下才有可能。 

圖 1：帶交流負載的 TRIAC SSR

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

在關斷期間，兩個 MOSFET 的體二極管將阻止電流流動。頂部體二極管反向偏置正電壓，底部體二極管反向偏置負電壓，如圖 3b所示。柵極驅動電路的輸入電容和電流驅動能力決定了 MOSFET 的開啟和關閉時間。

圖 2：具有交流負載的功率 MOSFET SSR

圖 3：導通期間流過 MOSFET SSR 的電流 (a)；和下班時間 (b)

憑借其低導通電阻、寬電流和電壓能力以及各種封裝選項，包括經過工業認證的 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計與 TI 的 MOSFET 整合在一起，而不會影響性能. 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 系統的交流負載。

3.控制直流負載

功率 BJT 或 MOSFET 通常控制直流負載。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，但在一個方向上是完全可控的。由于直流電流負載是一種極性，因此只需要一個 BJT 或 MOSFET，如圖 4 所示。這兩種器件都需要一個恒定的控制信號來保持導通狀態。SCR 和 TRIAC 不適合此應用，因為直流負載不會變為零并使設備自然關閉。直流負載的一個示例是家用電器或工業系統中的直流電機。

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

4.隔離

SSR 用于需要控制高壓或多個負載的應用。將兩個或多個負載組合到一個系統中時，必須進行隔離。在這種情況下，即使在低壓系統中，使用隔離來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，施加到變壓器初級和次級側的控制信號觸發電源開關。變壓器的一個好處是可以將功率與信號一起傳輸到次級側電路。

在光隔離器耦合中，光敏半導體感應由光源或紅外源（如發光二極管 (LED)）施加的控制信號。來自光敏半導體的信號觸發電源開關。這種方法不涉及控制輸入和負載之間的電氣連接，確保電氣隔離。一個缺點是我們必須為不包括光可控硅的次級側電路提供單獨的電源。

在不需要隔離的情況下（例如在控制單個負載的低壓系統中），可以直接進行交流和直流控制。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。由于其簡化的設計，當成本是主要目標時，直接控制更可取。