固态继电器文献综述

文献综述 固态继电器 固态继电器Solid State Relay缩写SSR是国外70年代发展起来的一种新 型的与逻辑电路及半导体电路兼容的固态继电器，它是传统的电磁式继电器及 电磁式接触器的更新换代产品［1］。固态继电器的绝缘及开关功能完全依靠电、 磁及半导体的光电特性和电子元件来完成。 固态继电器相较传统的电磁继电器的特点在于它无触点。传统电磁继电器的 线圈是一个感性负载，它具有储存磁场能量的功能。由于感性负载在电压的有限 值条件下，电感电流不能跃变。因此，该线圈通断电流时，在开始几微秒内不改 变瞬态的形式，加之存在分布电容，电磁继电器线圈的电感与分布电容的比值 较大，当线圈的电流截断时，带铁芯线圈两端产生很高的反电动势，产生具有 陡峭前沿的大幅度浪涌电压，约3ms内，线圈两端电压近似上升到电源电压的 多倍左右，然后按线圈感抗、分布电容和电路电阻所决定的速率下降到零。由于 电磁继电器的浪涌电压具有陡峭的前沿，它能产生强烈的冲击和激励，因此它 是引起瞬态干扰的原因之一。电磁继电器断开时产生的电磁干扰如图1所示［2］。 S 300400 H S 图1电磁继电器断开时所产生的电磁干扰 另外，电磁继电器的触点是一个控制开关，在闭合或断开还会产生电孤。由 于开关在通断时，电路中电流的变化率di/ dt很大，从而产生一个幅值很大的 电磁脉冲。同时，如果回路中有感性元件，则在元件两端产生幅值很高的瞬时电 压脉冲。且开关在闭合时，机械触点要反复跳几次才能安全闭合；断开时，所产 生的尖峰电压在触点两端形成的电孤，能熄灭而又再起孤，重复几次才能断开。 由于触点的反跳和产生电孤，电流的瞬变不只一次而是多次。整个转换瞬态电压 实际是一组脉冲群。一般情况下，其反跳和电孤产生的间隔为几毫秒，电压尖峰 持续时间约为几十微秒，这种短脉冲对电路能产生较严重的干扰，对数字信号 系统可能造成几个波特的信息错误，触点开关所产生的电磁干扰如图2所示。 产生较高的峰 一峰电压 图2触点开关所生产的电磁干扰 因此，对于某些要求较高、系统小型化且集成度高的电子电路，传统电磁继 电器的抗干扰性，抗振动性以及电磁兼容性等均难以达到要求。固态继电器具有 可靠性高、耐振动、速度快、无噪音、安全性好，对外界干扰小，电磁兼容性好、 灵敏度高等优点而被广泛应用，其基本工作原理及特点如下 固态继电器（Solid state Relay缩写SSR）,它是由固体电子元器件组成 的无触点继电器，是一种具有输入与输出间电隔离的功率电子开关电路，用光 电耦合器或高频变压器两种电路形式来实现隔离输出端对输入端的影响，其中 使用较多的是光电耦合器［3］。SSR输出控制器件主要有功率三极管、双向可控 硅、功率场效应管等。SSR分交流型和直流型两类，现以交流型说明其基本原理 及特点，如图3框图所示。 o 输 入 o 触发电路 开关电路 负载 吸收电路 AC电源 过零控制电路 图3交流SSR原理 耦合电路用光电耦合器，它是经发光二极管的电一光及光电三极管的光一 电转换，通过光控制，实现了输入端与输出端的电隔离，有效地防止了输出端 对输入端的影响，因此输入与输出间绝缘等级高，安全性好。 触发电路是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，若开关电路没 有特殊控制电路，则将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特 设“过零控制电路”，即在交流电压刚过零时，给双向可控硅加入控制信号，使 SSR打开导通，导通后即使去掉控制信号SSR继续导通，只有当交流电压再次 回到零电位时,SSR才断开，等到再刚过零时，再加入控制信号，SSR再次导 通。在交流电回到零电位时，不加控制信号,SSR关断。这种设计能防止高次谐波 的干扰和对电网的污染。 自上所述，另外加以总结固态继电器的主要优点有 （1）无运动零部件，无机械磨损，无动作噪声，无机械故障，可靠性高； （2）无燃孤触点，无触点间的火花、电孤，无触点抖动和磨损，对外干扰小； （3）开关速度迅速，动作时间可达10-3S以下； （4）灵敏度高，控制功率小，可达10-3以下，能很好地与TTL、CMOS电路兼容; （5）抗冲击振动性能优良，容易实现“零”压切换； （6）一般用绝缘材料灌封成全封闭整体，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性 能，防爆性能也极佳； （7）半导体器件作为开关工作，寿命长； （8）易实现附加功能［4］。 正因为SSR具有上述突出优点，其应用在不断扩大。 SSR普遍采用扁平型外形、双列直插或表面安装引线。这种封装更适宜印制 板的安装格局和与其它元器件的高度协调。智能化是SSR的又一优势。目前，国 外各种军用和民用飞机的电力电子配电平台已普遍使用SSPC［5］o 国外采用抗辐射加固MOSFET的SSR,其Y总剂量普遍达到lOOKRad （Si）,抗 单粒子能力达8. 2MeV （兆电子伏）。这些SSR正在代替EMR用于各项宇航任务，比 如卫星精确定位的反作用轮和扭矩棒的控制，以及中层空间宇宙飞船和深空控 测器的各种摄像仪供电，此外，还可用于控制深空探测器太阳能阵列的定向离 子发动机，比如用于火星探测所使用的电动车等。 SSR输出电路可承载的信号频率一般限于几个kHz,先进的通信用SSR已可适 用40kHz2.8MHz的信号频率，可满足程控交换机的要求，最先进的SSR已通过 码速率3 GBit/s的数据传输的试验认证［6］。但总体上，SSR的适用频率仍低于 目前普遍使用的PIN二极管和高频FET,低于射频机电继电器（开关）和MEMS （微 机电系统）继电器（开关）o SSR容易因浪涌电压击穿而失效，所以使用中一定要 采取措施抑制可能产生的各种瞬态尖峰电压。 据2004年12月美国威尔（Wyle）试验室的报告，美国能提供航天用固体继电 器的厂商有11家，其中多家可按MIL-PRF-83534提供K级（宇航级）固体继电器。 2006年出版的美国工程师继电器手册（第6版）“第10章军用和宇航继电器” 反复强调在各种飞机的综合配电平台、舰用配电系统和制导导弹、辐射环境中长 期工作的卫星中、深空探测器、军用机器人中的SSR都正在逐步取代EMR。据此可 以预计，在未来十年左右的时间里，在美国，SSR将占据军用、自动测试设备 和工业自动化用继电器的主导地位［7］ o 在我国，SSR已成功应用于各种军工领域，军用SSR是我国应用最为成功的 新兴元器件之一。此外，SSR也在许多自动测试和工业控制领域取得了成功的应 用。虽然目前我国军用SSR只占军用继电器销售额的10左右，但笔者预计，在 我国军用装备、自动测试设备和工业自动化控制等高科技、高可靠、高安全的生 产资料领域，SSR同样将逐步取代EMR,并会在二十年内上升到这些领域中继电 器的主导地位［8］。 固态继电器有很多优点，也得到了很广泛的应用。但与电磁断电器相比，SSR 却存在以下弱点 （1）固体“触点”导通时有一定的压降，可达1-2V,消耗一定的功率，直接影 响SSR所控制的最大负电流和所允许的最高环境温度，过载能力差，易导致热损 坏； （2）固