随着电子控制渗透到消费类、商业、医疗和工业应用中，人们对利用低电压或低电流电路切换高电压或高电流电路的需求日益增加。虽然机电继电器 (EMR) 占有一席之地，但固态继电器 (SSR) 通常更受人们的青睐，因为它尺寸小、成本低、速度快、电气和可闻噪声低、可靠性高。
虽然 SSR 可能很受欢迎，但要正确应用 SSR，设计人员必须了解其物理和电气操作与特性的细节。然后，设计人员须精心选择合适的 SSR，以与应用的输入、输出、负载和散热情况匹配，确保设计成功。
本文将讨论 SSR 的细节以及如何正确应用 SSR，并介绍一些最新的 SSR 解决方案，以解决切换较高电压和电流的问题。
SSR 基础知识
不同制造商或供应商给 SSR 取了很多其他名称。例如，Omron 称其为 MOS FET 继电器，而 Toshiba 称其为光继电器（表 1）。
Toshiba
光继电器
Matsushita Electric Works
光 MOS 继电器
OKI Electric Industry
MOSFET 继电器
OKI Electric Industry
光 MOS 开关
Okita Works
光 DMOS-FET 继电器
HP
固态继电器
OMRON
MOS FET 继电器
表 1：虽然核心工作原理相同，但不同供应商使用不同的名称来指代其 SSR，有些供应商则是为了强调自己独特或专有的 SSR 实现方案。（图片来源：Omron Corp.）
无论使用何种名称，SSR 的工作原理均相同，并且是众所周知且广泛使用的光耦合器（也称为光隔离器）的延伸产品。最简单的形式是输入侧有一个 LED，输出侧有一个光电晶体管，二者由一个毫米级光路隔开（图 1）。根据电压和电流水平，可以用光敏 SCR 或 TRIAC 代替光电晶体管。
图 1：光隔离器的物理布局看似简单：LED 将电能转换为光子，进而激励光电晶体管产生较低的 VBE 压降；光路确保电流隔离。（图片来源：Technogumbo）
当 LED 通电时，它产生的光子激励光电晶体管，随后光电晶体管进入导通模式，允许电流流向负载。这称为“导通”状态。当 LED 熄灭时，光电晶体管断开或不导通，看起来像是很好的（但不是完美的）开路。
由于 LED 与光电晶体管隔开，并有一个光学透明的绝缘栅，所以 LED 和光电晶体管之间的电流隔离通常在几千伏范围。请注意，隔离是电压击穿参数，与输入到输出电阻并不同，后者大约为一千到一百万兆欧（通常不确切地称为“无限大”电阻）。导通和断开状态之间的切换时间通常规定为几微秒。
然而，完整的 SSR 不仅仅只有 LED 和光电晶体管（或光敏 SCR/TRIAC）。输入 LED 侧和输出光敏侧还需要其他电路和功能（图 2）。
图 2：完整 SSR 的输入 LED 侧和输出光敏侧需要其他电路和功能。（图片来源：Omron Corp.）
虽然 SSR 是相对简单的器件，但设计导入时需要考虑与输入以及隔离负载的大小和类型相关的因素，使用时还要考虑一些特殊情况。
选择 SSR 时，设计人员需要知道输入驱动电平和类型（交流或直流）以及负载特性，包括最大电流、最大电压和类型（同样，交流或直流）。有些 SSR 可以用几伏到几十伏甚至更高的电压来驱动，不过由于安全和效率原因，较低电压输入越来越普遍，并且与现代电子器件的兼容性更好。
如果输入驱动器为直流型，它或许可以直接驱动 SSR 输入 LED。如果为交流型，设计人员需要在 SSR 前面添加桥式整流器。实际情况可能是厂商会提供已经内置桥式整流器的同类 SSR。选择内置整流产品通常是明智之举，因为这样就不必处理细微的布局问题，同时还能获得完全符合规格的输入/输出性能。SSR 的典型输入灵敏度约为 6 毫瓦 (mW)。
根据负载的性质，SSR 的输出侧可能比输入侧复杂一些。如果 SSR 的输出只是晶体管、FET 或单个 SCR，则它只能在一个方向上导通。因此，它只能用于直流负载，实例包括非线路供电的加热器。对于交流负载，应使用 TRIAC 或 SCR 对。供应商通常会提供仅有直流输出或有交流输出的同类 SSR。一般而言，交流输出 SSR 也可用于直流情况。输出额定值范围很宽，从几伏或几安到数十数百伏或数十数百安。
SSR 选项：NO/NC 触头和多极
标准 SSR 使用单一常开 (NO) 输出配置。然而，有许多应用需要相反的常闭 (NC) 配置，当输入级通电时输出级开路。此外，有些设计同时需要 NO 和 NC 操作，甚至是一个 NO、一个 NC 和几个其他接触极的组合。
为了满足对多极以及 NO 和 NC 触头的需求，用户可以添加定制的输出电路，但这种方法至少存在四个问题。首先，它常常涉及高电压和/或高电流情况，因此该设计具有许多固有的挑战。其次，它需要满足各种监管安全标准并获得认可。第三，对项目来说又多了一件事。第四，验证由此获得的性能是一项复杂的任务。
或者，用户可以通过一个小电路反转输入信号，使 NO SSR 在没有信号的情况下闭合，在施加输入信号时断开。然而，当输入侧电源发生故障时，这可能带来与 SSR 的输出状态相关的安全问题，因为继电器输出会恢复到其“本来”的 NO 状态。回想一下，根据隔离的定义，SSR 的输入电源和输出电源是独立的。因此，设计人员可能无法保证已知的故障安全输出模式。
当需要多个单极时，可以串联或并联驱动多个 SSR。这是一种可行的解决方案，但需要仔细考虑所需的驱动电流和电压，以及串联或并联拓扑中的器件发生故障的后果。使用多个 SSR 还会增加 BOM，并占用更多的电路板空间。
认识到这些 NO/NC 和多极需求，供应商已在 SSR 内部增加了额外的电路以提供不同的输出配置，并进行了全面测试和认证。许多此类 SSR 都是系列产品，规格相似，不过输出配置的细节不同，以便简化选择和使用。
例如，IXYS Integrated Circuits Division 提供三款 SSR，这些 SSR 的性能几乎相同，且都具有 3,750 VRMS 输入/输出隔离，但输出结构有所不同：
• LAA110 包含两个单极 NO (1-Form A) 继电器，每个继电器的额定值都是 350 V/120 mA（交流或直流），提供 8 引脚 DIP、SMT 和扁平封装（图 3）。
图 3：IXYS 的 LAA110 是一款基本型双通道 SSR，具有两个独立输入和相应的 NO 输出。（图片来源：IXYS）
• LCC110 有一个 NO/NC 触头对 (1-Form-C)，由单一输入驱动，额定值和封装与 LAA110 相同（图 4）。
图 4：IXYS 的 LCC110 是一款基本型双通道 SSR，单个输入控制一个 NO 和一个 NC 输出极。（图片来源：IXYS）
• LBA110 包含两个独立的继电器：一个单极常开 (1-Form-A) 继电器和一个单极常闭 (1-Form-B) 继电器，整体额定值和封装选项同样与上述器件相同（图 5）。
图 5：该系列的另一个成员是 IXYS LBA110，这是一款双通道 SSR，每个 NO 和 NC 输出极都有独立的输入。（图片来源：IXYS）
大多数功率较高的 SSR 系列都具有一组类似的选项。如果单个较低电流 SSR 的电流额定值不够，您可能希望简单地并联多个 SSR 输出，以实现所需的额定值。但一般来说，由于以下几个原因，这并不是好的工程实践。
第一，即使标称额定值相同的 SSR 也并非完全匹配。因此，一个 SSR 处理的电流可能比另一个多，超出自身的电流和热限值，导致过早失效。第二，如果多个 SSR 中的一个由于某种原因而失效，其他 SSR 将承载过大电流，并且很快按级联顺序失效。由于这些原因，最好选择单个具有适当输出额定值的 SSR。
SSR 保护和限制
尽管 SSR 相当坚固耐用，但有些情况下也需要一些额外的保护。对于切换阻性（非感性）交流负载（例如白炽灯泡的加热器）的 SSR，可能需要指定一个同步 SSR，其仅在交流线路过零处开启/关闭输出，而不管输入控制信号时序如何（图 6）。
图 6：同步 SSR 设计为仅在交流线路过零处切换输出，以尽量减少 EMI 的产生：a) 阻性负载的非同步 SSR 波形；b) 阻性负载的同步 SSR 波形。（图片来源：Crydom，通过 Omega Engineering）
仅在过零处切换会极大地减少或消除在周期中间启动或终止交流输出波形而产生的线路和辐射噪声。但设计人员需注意，如果是高感性负载，过零 SSR 可能无法断开。为了解决这个问题，SSR 供应商还提供所谓的随机切换 SSR，它会在输入转换所要求的时刻导通或断开。同样，设计人员必须了解负载，并从供应商目录中选择适当的 SSR。
使用 SSR 时，还要考虑内部损耗引起的热效应。即使输出开启，有源元件上也会存在很小但很关键的压降，就像驱动电机的 MOSFET 一样。产生的热量必须由 SSR 消散。因此，供应商所提供 SSR 的规格会规定最大负载下允许的工作温度，以及热降额曲线。SSR 的热环境可以使用标准工具建模。较大 SSR 产生的热量较高，可能需要更复杂的散热安排，而较小 SSR 通常可以使用标准 IC 散热器。
对于具有较高散热要求的较大负载，SSR 的物理配置也越来越大。SSR 的封装形式多种多样，既有用于较小负载的 6 引线 SOIC，也有用于较大负载的大型模块，还有面板安装式、导轨安装式或独立式封装。
例如，Vishay LH1510 SSR 是一款 SPST-NO (1-Form-A) 器件，额定工作条件为 200 V 和 200 mA，采用标准 6 引线 SMT 或 DIP 封装（图 7）。它可以用于交流或直流负载（图 8）。尽管尺寸较小，但此 SSR 提供 5300 VRMS 连续和 8000 VRMS 瞬态峰值隔离额定值。
图 7：低功耗 Vishay LH1510 SSR 是一款 SPST-NO 器件，额定工作条件为 200 V 和 200 mA，采用 6 引线表面贴装封装和 DIP 外壳。（图片来源：Vishay Semiconductors）
图 8：由于可用封装引线的数量，LH1510 可配置为支持交流/直流输出或仅直流输出要求，但各种模式的规格略有不同。（图片来源：Vishay Semiconductors）
相比之下，Crydom/Sensata Technologies 的 EL240A 系列交流输出面板安装式 SSR 支持 24 至 280 V AC 和 5 A、10 A、20 A、30 A 的输出额定值，控制输入有 5、12、24 V DC 可选。对于这样的功率，SSR 采用尺寸为 36.6 × 21.1 × 14.3 毫米 (mm) 的较大模块，并带有快速连接端子（图 9）。请注意，整体物理尺寸并不反映隔离性能，这个较大模块具有 3,750 VRMS 的隔离额定值，略低于尺寸小得多的 6 引脚 Vishay 封装。
图 9：Crydom/Sensata Technologies 的 EL240A 系列 SSR 支持高达 30 A 的电流和高达 24 V DC 的控制输入。（图片来源：Crydom/Sensata Technologies）
EL240A 系列的负载可以连接到任一输出支路，这为设计提供了灵活性（图 10）。这些模块的尺寸较大，允许供应商添加 LED 指示灯（图 10 也有显示），以便快速直观地评估 SSR 输入状态。
图 10：负载可以连接到 EL240A 系列的任一输出支路，从而提供更大的设计灵活性。（图片来源：Crydom/Sensata Technologies）
SSR 外部也要注意
与大多数功率相关器件一样，除了外部最大功率、电压、电流和散热之外，还有其他问题。SSR 的物理布线、母线或印刷电路板走线的尺寸也必须适当，以便能够承受负载电流，而不产生过多的 IR 压降。同样，到 SSR 的连接，无论是通过分立电线、插座还是通过印刷电路板焊接，都必须具有足够的尺寸和额定值。
即使在低电流水平下，SSR 也可能会切换较高电压。在这种情况下，须关注用户安全，包括相应电压下规定的最小间隙和爬电距离（图 11）。此类要求由 IEC/UL 60950-1、IEC 60601-1、EN 60664-1:2007 和 VDE 0110-1 等许多标准界定。
图 11：间隙（上方）是通过空气测量的两个导电部件之间或一个导电部件与设备边界表面之间的最短路径。爬电距离（下方）是沿着两个导电部件之间或一个导电部件与设备边界表面之间的绝缘表面测量的最短路径。（图片来源：Optimum Design)
间隙定义为通过空气测量的两个导电部件之间或一个导电部件与设备边界表面之间的最短路径。爬电距离定义为沿着两个导电部件之间或一个导电部件与设备边界表面之间的绝缘表面测得的最短路径。符合这两个参数的要求有助于确保不会产生飞弧，不会迸发火花，用户不会接触高压。
虽然 SSR 本身可能被认定为具有数千伏的隔离额定值，但为使所用电压通过认证，任何到 SSR 的连接都必须保持必要的距离。
SSR 还可能需要外部保护。交流负载 SSR 在自身或附近的感性负载断开时，可能会看到高压尖峰，这会损坏 SSR 输出结构。最常见的解决方案是将一个或多个保护元件（例如金属氧化物变阻器 (MOV) 或瞬态电压抑制器 (TVS)）作为电压箝位器件，放在 SSR 的负载端子上（图 12）。
图 12：SSR 的输出可能需要外部保护以防止电压尖峰，例如感性负载切换产生的电压尖峰。这种保护可以由 MOV 或 TVS 提供。（图片来源：Phidgets, Inc.）
为了确定这些器件的尺寸，需要分析负载的 v = L(di/dt) 幅度。如果 MOV 的电压额定值过高，它将无法防止较低值的尖峰，仍可能造成损坏；相反，如果电压额定值过低，MOV 将经常被“触发”，且会随着过压尖峰重复出现而降级和损坏。
此外，使用带有 TRIAC 或晶闸管输出的交流 SSR 时，感性负载的开/关切换会导致 dv/dt 电压瞬变，这可能引起 SSR 误导通。虽然这种假导通不像 di/dt 引起的电压尖峰那样会损坏 SSR，但显然仍是一个问题。为了防止这种情况发生，还要增加一个 RC 吸收器电路来抑制 TRIAC 电压突然升高（图 13）。
图 13：SSR 输出的 RC 吸收器可防止感性负载引起误导通。（图片来源：Omron Corp.）
直流 SSR 的情况类似，但稍微简单一些。如果负载是感性的，它断开时产生的电流尖峰可能会损坏已经开路的 SSR 输出。标准解决方案是连接一个二极管，其阴极在正端上，从而在 SSR 周围提供一条路径供电流流动和消散（与 EMR 线圈和螺线管使用的是相同的技术）。
结论
固态继电器是极其有用且强大的器件，用于开启/关闭交流和直流负载，同时在控制和负载之间提供电气隔离。固态继电器本身坚固耐用且易于应用，但设计人员必须仔细评估输入、输出、负载和散热情况，以选择合适的 SSR 并运用它来可靠地实现其性能和功能。
