固态继电器(Solid State Relay,缩写SSR),是由微电子电路,分立电子器件,电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号,达到直接驱动大电流负载。
固态继电器工作原理
SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用。下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理,图1是它的工作原理框图,图1中的部件①~④构成交流SSR的主体,从整体上看,SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D),是一种四端器件 。
工作时只要在A、B上加上一定的控制信号,就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”,实现“开关”的功能,其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道,但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系,以防止输出端对输入端的影响,耦合电路用的元件是“光耦合器”,它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高;由于输入端的负载是发光二极管,这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配,在使用时可直接与计算机输出接口相接,即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号,驱动开关电路④工作,但由于开关电路在不加特殊控制电路时,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”。所谓“过零”是指,当加入控制信号,交流电压过零时,SSR即为通态;而当断开控制信号后,SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时,SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的,一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。
固态继电器选用方法
1)为了保证固态继电器的正常工作,必须考虑输入条件,通常输入电压为阶跃函数,然而,如果输入电压是斜坡,就会出现半周循环现象,出现这种现象是由于开关半导体器件在正,反触发时不完全对称,因此,如果输入电压斜坡上升,这种开关在负载为某一极性时就可能处罚,而当负载电压为反极性时就可能不处罚,而出现半周导通现象,这种现象将持续到输入量足以使输出完全导通为止。
(2)SSR的许多负载如灯负载,电动机负载,感性和容性负载,在接通时的过渡过程会形成浪涌电流,由于散热不及,浪涌电流是使固态继电器损坏的最常见的原因。为了适应这种情况,SSR根据其内部电路结构和输出器件特性,一般均给出了过负载(或浪涌电流)参数倡议额定输出电流(最大值)的倍数,脉冲(浪涌)持续时间,循环周期和次数来表示。一般,直流SSR的过负载(浪涌)额定值远小于同功率的交流SSR。另外,SSR的性质还与接通时的电流上升率di/dt密切相关。di/dt超过某一值会使SSR的可控硅输出器件损坏。为避免上述浪涌电流对SSR的损坏,可不同程度的降额使用SSR,必要时,可在负载电路中串联电阻,将浪涌电流和可能发生的短路电流限制在 SSR所允许的过负载范围内,也可利用快速熔断的保险丝来保护SSR。
(3)对于SSR,特别对交流SSR,电压指数上升率是一个重要参数。这是因为当SSR关断时,若输出端电压上升率超过SSR规定的dv/dt,可能使SSR误接通,严重时会造成SSR的损坏一般SSR规定的dv/dt为 100v/us,也有的达200v/us。交流SSR多在电流过零时判断,对感性和容性负载,在电流达零并关断时,线电压并不为零。功率因数cosψ越小,这个电压越大,在关断时,这一较大的电压将以较大的上升率加在SSR的输出端。另外,SSR关断时,感性负载上会产生反电势,该反电势同电压一起形成的过电压将加在SSR的输出端。在使用SSR反转电容分相电机和反接未停转的三相电机时,都可能在SSR的输出端产生二倍于线电压的过压效应。
dv/dt 和过电压是使SSR失效的重要模式,因此要认真对待。一般,在可能产生二倍线电压效应的场合应选择最大额定输出电压高于二倍线电压的SSR。在dv/dt和过电压严重的线路中,一般也应使SSR的最大额定输出电压高于二倍线电压。对一般的感性负载,SSR的最大额定输出电压也应为线电压的 1.5倍。另外,可以在SSR输出端并联RC吸收回路或其它瞬态抑制回路。