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合著者Miro Oljaca與Tattiana Davenport

  固態繼電器(SSR)是用于負荷通/斷控制的半導體型裝置。通常用于SSR的半導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型晶體管(BJT)與金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。晶閘管包括硅控整流器(SCR)與三極管交流開關 (TRIAC)。

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

  相比機電繼電器(EMR)，SSR不具有可能磨損并限制末端設備使用壽命的機械觸點。可以利用SSR的一些末端設備包括諸如暖通空調(HVAC)系統控制、恒溫器、工廠自動化可編程邏輯控制器(PLC)與測試測量設備。

  控制交流負荷

  晶閘管與功率MOSFET通常控制交流負荷。晶閘管是一個閉鎖裝置，在柵極接收到電流脈沖時開始導電并將持續導電，直到電流降為零。晶閘管系列包括SCR和TRIAC。SCR是一個單向半可控開關，在負荷電流降為零時斷開。

  由于SCR的單向功能，用一個配置有兩個反并聯SCR的TRIAC控制交流電流，如圖1所示。TRIAC將使正負電流實現接通可控性。電流降為零的延遲時間最長為半個周期，在柵控信號消除與電流降為零之間。這在無需控制斷開時間時并非理想狀態。例如，當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HVAC電源自供電，而非消耗來自恒溫器電池的額外功率。此方案僅在接通與斷開時間受控時可行。

圖1：帶一個交流負荷的TRIAC SSR

  此問題的解決方案是功率MOSFET。功率MOSFET為雙向性，但僅在一個方向完全可控。通過采用兩個串聯的MOSFET，如圖2所示的配置方案，可完全控制交流電流以及MOSFET的接通與斷開時間。利用任一個MOSFET的體二極管，正負電流均可在接通時間內流動。圖3a所示為電流如何流經MOSFET及其相應的體二極管。

  在斷開期間，兩個MOSFET的體二極端均會阻止電流流動。頂部體二級管針對正電壓施加反向偏壓，底部體二極管針對負電壓施加反向偏壓，如圖3b所示。柵極驅動電路的輸入電容與電流驅動能力決定MOSFET的接通與斷開時間。

圖2：帶一個交流負荷的MOSFET SSR

  圖 3：電流在接通時間 (a) 流經MOSFET SSR；斷開時間 (b)

  由于低導通電阻與廣域電流/電壓能力，并得益于各種成套選項，包括經業內認可且測量精度可達1.53 mm x 0.77 mm的LGA裝置，你可輕松借助TI的MOSFET強化你的設計，而無需在性能上妥協。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HVAC系統的交流負荷。

  控制直流負荷

  功率BJT或MOSFET通常控制直流負荷。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BJT或MOSFET，如圖4所示。這兩個裝置均需要一個恒定的控制信號以保持在接通狀態。SCR與TRIAC不適合此類應用，因為直流負荷的電流不會變為零并使這兩種裝置自然斷開。直流負荷的一個示例是家用電器或工業系統內的直流電機。

圖4：帶一個功率BJT (a)或功率MOSFET (b)的直流負荷SSR

  絕緣

  SSR用于需要高壓或多負荷控制的應用情況。將兩個或更多負荷整合至一個系統時必須進行絕緣。此類情況下，即使是在低壓系統內，也應務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與二次側的控制信號觸發功率開關。變壓器的益處是功率可隨著傳送至二次則電路的信號轉換。

  在光絕緣器耦合中，光敏半導體感測由諸如發光二極管(LED)等光源或紅外線源施加的控制信號。光敏半導體發出的信號觸發功率開關。此方法不涉及控制輸入與負荷之間的電氣連接，可確保電氣絕緣。缺點是你必須向不包括光耦可控硅的二極側電路提供一個獨立電源。

  如果無需絕緣（諸如在控制單一負荷的低壓系統內），可采用直接的交流與直流控制。直接控制是指控制電路提供不帶額外絕緣的觸發功能。由于簡化設計，直接控制在以成本為主要考量時更為可取。

  請繼續關注下一篇博文，概要了解自供電SSR。同時，如果希望了解有關SSR的進一步信息，請在下方發表評論。

其它資源

• 核實本TI設計有關交流負荷控制的參考設計：

• 采用電流絕緣參考設計(TIDA-00751)的固態繼電器24V交流開關。

• 參見NexFET CSD19537Q3 N通道功率MOSFET的數據表。

• 參閱博文“咔噠！咔噠！你的恒溫器有哪些缺陷？”，了解恒溫器中的SSR的相關信息。