固态继电器(SSR)的特性与应用

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固态继电器(SSR)的功能与机电继电器相同,但是是不可移动的非接触式设备,可以将电压切换到数百Vac并持续数十万次循环。这使得它们可用于切换加热元件、电机和需要频繁且高速切换的变压器。


固态继电器(SSR)的特性与应用


机电继电器和固态继电器使用不同的技术来执行基本相同的功能。SSR的快速切换使其适用于无数的大功率负载。


与机电继电器相反,SSR中的子组件完全是电子的:


1. SSR的输入电路(如机电继电器的线圈)连接到系统控制。随着进入SSR的电压发生变化(通常为3至32 Vdc),它会提示输入电路起作用。在一种常见的变化形式中,电路会在施加任何超过继电器的启动电压值的范围内电压时激活…,并在输入减小到低于继电器的压降电压值时停用。


2. SSR的耦合器将通电和断电命令传送到继电器输出——充当输入和输出电路之间的过渡。请注意,SSR的这一部分是经过特殊设计的,以确保输入电路与输出电路之间的电气隔离方式……从而使高功率(输出)负载电流通过继电器的耦合部分隔离。即使系统发生故障,也可以可靠地防止负载电流流到继电器输入。


SSR的耦合部分使用了各种技术:


最常见的类型是光耦合器SSR,在输入电路上使用LED或红外光源与输出开关侧的光敏半导体通信。相反,与变压器耦合的SSR使用DC-AC转换器生成输出,该输出通过低功率变压器与输出磁耦合。


固态继电器(SSR)的特性与应用


3.接下来,SSR的触发或驱动电路连接以下形式的几种设计之一:


•硅可控整流器(SCR),用于(通常)短时间“导通”周期的高速开关


•背对背晶闸管,称为双向可控硅-交流电的三极管简称


•金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或达林顿晶体管(用于直流)


•绝缘栅双极型晶体管(IGBT)用于直流


在这里,零开关操作(SSR最常见)以及峰值开关,直流开关和即时导通开关都是使继电器动作适应系统驱动负载类型的选项。例如,模拟开关使用同步电路使输出电压跟踪输入电压-并允许在SSR的允许范围内提供各种可能的输出电压。这些在软启动设计方面表现出色,可驱动电动机。


4.除此之外,SSR的输出(电源)电路连接到被控制的负载。经过开关之后,它还可以包括一个缓冲电路(在某些情况下为反向连接的二极管)或一个过零检测器,以减少开关期间的尖峰和瞬变以及电磁干扰(EMI)。这是一个问题,因为SSR通过连接的电感性负载切换负载电流-并且(根据法拉第定律)电流中断会引起电压上升。SSR上的任何此类升高超过最大额定值都可能导致损坏。


SSR擅长的地方


SSR与各种控制系统兼容,并且不受电磁噪声的影响;它们的固态特性意味着它们可以在不同的方向上安装……并且SSR不受剧烈振动的影响。的确,SSR比某些替代产品更昂贵,但最先进的SSR可以提供超长的使用寿命。


考虑SSR的一些电动机应用:


•在大型输送带或装配线上的电机上,可能会造成卡塞


•在用于商用烤箱的工业电动鼓风机上,如果门敞开,可能会造成工作过度


•在承受过电流条件或启动电流不正确的


•在被忽视的电机上以及与磨损的机械部件连接的部件表现出过度的摩擦力


•在经受高温环境的通用电动机上


此类电机驱动的机械可能在其电源上装有保护继电器(机电继电器和SSR),以感测任何此类过热并关闭电机以防止损坏。在此类应用中,耐用型SSR的使用非常广泛,因为它们没有可降低精度寿命的活动部件…实际上,其使用寿命通常比安装它们的设备要长。


解决SSR的热量问题


在SSR中发现的基于半导体的开关会产生不可忽略的热量-如果不加以解决,由于热循环会存在机械疲劳的风险。此处的两个解决方案是散热器和恒温器。恒温器可以由设计工程师(由热保护设计负责)添加到SSR中,也可以由SSR制造商预先集成。


在某些带有预集成恒温器的SSR中,当SSR本身的温度超过应用要求确定的指定最高温度时,SSR会切断输入电路的电源。短暂冷却后,电源会自动重新打开。在此,SSR的恒温器可感测内部电源开关设备安装座上与金属板的机械接口的内部温度。如果热量超过正常范围,它将向SSR发送信号以关闭电源。


内置的热保护装置通过在设备损坏发生之前跳闸来防止过热情况,从而节省了时间和金钱。


对于希望利用这项技术并省去自己做麻烦的机器设计人员,首先需要为需要控制的负载选择合适的SSR。一个关键的考虑因素是应用程序的环境工作温度,这是导致载流量最佳降低的因素。换句话说,工程师必须确定SSR额定的最大额定功率,额定电流或额定电压,然后使用小于这些最大额定值的额定功率。


其他设计考虑因素是所使用的散热器和预期的功耗。


受益于这种内置热保护的SSR包括工业烤箱,商业制冷系统,灭菌设备,焊接设备以及包装,构造和物料搬运中的输送机上的SSR。


MEMS机械开关与SSR竞争


当微机电系统(MEMS)于1980年代首次问世时,它们因其超小型化机电触点的能力而受到吹捧。MEMS结构建立在使用相同蚀刻工艺制造常规IC的硅基板上,可在喷墨打印头,加速度计,压力传感器等地方工作。但是它们尚未取代传统的机械开关……部分原因是MEMS开关的微小触点无法承受大电流。加上MEMS开关会产生电弧和发热,从而缩短开关寿命。


但是现在,采用数字微开关(DMS)智能功率继电器技术的MEMS器件可能很快会刺激基于MEMS的功率继电器的更多使用。这些结合了固态继电器和机电继电器的优势。DMS将MOSFET与MEMS开关并联,以实现零电压开关。这减少了触点之间的开关能量,从而提高了高电压和电流条件下的可靠性。开关设计还使用金属工艺来提高固定触点一侧的悬臂梁以及触点材料本身的可靠性。它使设备具有三十亿次循环甚至更长时间的能力。实际上,功率继电器保留了传统继电器的电流隔离特性……并且可以集成到传统的半导体封装中以提供其他智能功能。



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