自從三十多年前推出以來，固態(tài)繼電器 (SSR) 已經(jīng)取代了電磁繼電器 （EMR)，可用于要求超可靠、無電弧、低功耗運(yùn)行的開關(guān)應(yīng)用。SSR 的其他優(yōu)點(diǎn)包括無噪聲運(yùn)行以及兼容數(shù)字控制電路。 但是，在要求苛刻的家居、商業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中——尤其是那些需要遵守國際電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用（例如 IEC 60947-4-3），需要認(rèn)真選擇繼電器，以確保繼電器產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI) 最小。某些產(chǎn)品可能會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，存在違反 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文將介紹 SSR 的優(yōu)缺點(diǎn)及其最適合的應(yīng)用。然后，在介紹 Sensata Technologies 的一系列低噪聲 SSR 之前，我們探討可能造成排放問題的繼電器關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)人員可將其用于對 EMI 敏感的商業(yè)、家居和醫(yī)療應(yīng)用。

EMR 對比 SSR

由于在吸合時(shí)會(huì)暴露于全電路電流下，因此使用開關(guān)接通和切斷大功率電路是不切實(shí)際的。該開關(guān)會(huì)在運(yùn)行期間產(chǎn)生危險(xiǎn)電弧，工作時(shí)發(fā)生過熱。這種解決方案是通過常規(guī)開關(guān)接通和切斷低功率電路，從而觸發(fā)高功率電路。 這種布置的優(yōu)點(diǎn)之一就是由于減小了大功率電路所需的重型布線長度，從而減少了成本和空間。

之所以具有這些優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)槔^電器可以安裝負(fù)載附近，可以使用較細(xì)的導(dǎo)線與低功率開關(guān)連接。這種開關(guān)通常位于更方便用戶使用的位置。另外，可將低功率電路與高功率電路電隔離。使用繼電器的例子包括商用烤箱、家用電器和醫(yī)療設(shè)備。 傳統(tǒng) EMR 使用由低功率電路供電的線圈來產(chǎn)生磁場，再由該磁場閉合（常開）觸點(diǎn)。EMR 可以將交流或直流負(fù)載切換到其最大額定值。觸頭的接觸電阻隨著負(fù)載的增加而減小，從而減少了功耗并消除了散熱需求（圖 1）。

EMR 的主要優(yōu)勢在于低成本，以及在任何低于器件介電額定值的施加電壓下均能保證隔離。在大功率電路必須完全導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，不得由于泄漏電流造成用戶受傷的危險(xiǎn)，此時(shí)隔離就顯得尤其重要。如果預(yù)計(jì) AC 電源中會(huì)出現(xiàn)大浪涌電流或尖峰電壓，則 EMR 也是不錯(cuò)的選擇。 EMR 的主要缺點(diǎn)是潛在的 EMI 和磨損。由于觸點(diǎn)打開和閉合時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生電弧，因此繼電器會(huì)產(chǎn)生明顯的 EMI。通常，這種級別很低，設(shè)計(jì)良好的 EMR 含有屏蔽結(jié)構(gòu)，會(huì)減少排放，但是在靠近 EMI 敏感型設(shè)備的區(qū)域中使用時(shí)仍需要注意。

因?yàn)?EMR 是機(jī)械設(shè)備，所以即使是設(shè)計(jì)和制造最好的產(chǎn)品也會(huì)最終出現(xiàn)磨損。大多數(shù)情況下，首先出現(xiàn)故障的是線圈并且由于觸點(diǎn)常開 (NO)，所以會(huì)導(dǎo)致器件處于故障安全狀態(tài)，從而使低功率電路與高功率電路隔離。也就是說，現(xiàn)代 EMR 非常可靠，且通常情況下通過繼電器供電的設(shè)備會(huì)先出現(xiàn)磨損。

隨著用于切換大功率應(yīng)用的控制電路升級至數(shù)字電子設(shè)備，SSR 逐漸有了用武之地。顧名思義，SSR 是基于半導(dǎo)體的設(shè)備，因此非常適合通過基于微控制器的數(shù)字電路進(jìn)行電路監(jiān)控，尤其適合監(jiān)控開關(guān)速度高的應(yīng)用。 SSR 克服了 EMR 的主要缺點(diǎn)。因?yàn)椴缓顒?dòng)部件，所以 SSR 不會(huì)發(fā)生磨損。這種設(shè)備通常執(zhí)行數(shù)千萬個(gè)操作周期，但是當(dāng)它們發(fā)生故障時(shí)，通常處于“接通”位置，這可能會(huì)帶來安全隱患。SSR 在閉合或斷開時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧，這不僅使它們適合在危險(xiǎn)環(huán)境中使用，而且能消除大部分困擾 EMR 的 EMI 源頭。

SSR 也不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲，可在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，即使在高電壓下也能實(shí)現(xiàn)低功耗。隨著 SSR 的價(jià)格越來越低，從 EMR 到 SSR 的轉(zhuǎn)換已經(jīng)加速。 SSR 的主要缺點(diǎn)來自其作為半導(dǎo)體電路的基礎(chǔ)元器件。例如，當(dāng)“接通”時(shí)其電阻很大，從而導(dǎo)致數(shù)十瓦的功率耗散并由此產(chǎn)生熱量。為克服散熱難題，設(shè)計(jì)人員通常必須為其選擇一個(gè)堅(jiān)固耐用的散熱器，但這樣會(huì)增加解決方案的尺寸和重量。此外 SSR 還會(huì)受到環(huán)境熱量的影響，因此，高溫下使用時(shí)必須降低額定功率。如果內(nèi)部電路電阻對電源電壓的變化敏感，則內(nèi)部電路電阻也會(huì)產(chǎn)生電壓降，這可能造成負(fù)載問題。在“打開”狀態(tài)下，SSR 會(huì)產(chǎn)生一定的泄漏電流。這是高電壓下不希望出現(xiàn)的情況，甚至?xí)斐砂踩珕栴}。此外，許多 SSR 要求最小負(fù)載才能正常運(yùn)行。

SSR 的基本工作原理

輸出開關(guān)是 SSR 的關(guān)鍵部分。對于 AC 輸出繼電器，可以通過雙向可控硅或背對背可控硅整流器 (SCR) 來控制其輸出。SCR 解決方案的主要優(yōu)勢在于其快速 dv/dt 特性，尤其是在繼電器“打開”時(shí)。 例如，當(dāng)一個(gè)帶三端雙向可控硅開關(guān)控制輸出的 SSR 關(guān)閉時(shí)，dv/dt 可能慢至 5 到 10 伏/毫秒 (v/ms)。dv/dt 緩慢特性可能會(huì)成為問題，因?yàn)槿绻档碗娏鞯?di/dt（和/或重新施加電壓的 dv/dt）深度不夠，則雙向可控硅可能會(huì)在 AC 電源穿過零電流/電壓點(diǎn)后導(dǎo)通。這種事件會(huì)使輸出不穩(wěn)定并能增加 EMI。 相比之下，SCR 的 dv/dt 約為 500 伏/微秒 (v/μs），過零點(diǎn)之后不會(huì)導(dǎo)通。

帶 SCR 的 SSR 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與單個(gè)三端雙向可控硅開關(guān)器件相比，這些組件分散在更大的范圍內(nèi)，因此散熱效果更好。本文的其余部分將介紹具有背對背 SCR 輸出級的 SSR。 圖 2 顯示了使用 SCR 的基本 SSR。AC 輸出 SSR 通常采用 AC 線路供電。當(dāng) S1（由輸入電路控制）閉合時(shí)，SCR1 和 SCR2 各自的柵極連接，AC 電源的電流流經(jīng) R1 或 R2 并進(jìn)入任何一個(gè)正向偏置的 SCR 柵極。這樣，SCR 就會(huì)打開，繼電器導(dǎo)通，向負(fù)載供電。對于 AC 電源的每個(gè)半個(gè)周期，SCR 會(huì)交替導(dǎo)通，向負(fù)載提供電流。當(dāng) S1 打開時(shí)，無論哪個(gè) SCR 處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，都將繼續(xù)導(dǎo)通，直到 SCR 變?yōu)椤皵嚅_”時(shí) AC 電流達(dá)到零。此時(shí)，另一個(gè) SCR 阻止任何柵極電流流入，繼電器斷開，并且負(fù)載電源切斷。

現(xiàn)代 SSR 通常依靠光耦合器將低功率和高功率電路隔離。對于設(shè)計(jì)人員來說有兩個(gè)關(guān)鍵選擇：使用基于 LED/光電晶體管的光耦合器或結(jié)合了 LED 和光電隔離開關(guān)的器件。光電晶體管所需的控制電流較少且節(jié)省空間，也確實(shí)為設(shè)計(jì)人員帶來了更多配置控制電路特性的機(jī)會(huì)。三端雙向可控硅開關(guān)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是其成本較低。圖 3 所示為由光電隔離開關(guān)控制的繼電器原理圖。

用于低 EMI 環(huán)境的 SSR

對于 EMI 敏感性應(yīng)用，具有 SCR 控制輸出的 SSR 將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)檫@些器件的固有噪聲低。對 EMI 特別敏感的應(yīng)用，如要求使用符合 IEC 60947-4-3 標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)產(chǎn)品的一類應(yīng)用，更應(yīng)選擇超低噪聲產(chǎn)品。對于這些應(yīng)用而言，僅在 AC 電壓超過零電壓點(diǎn)時(shí)（無論輸入何時(shí)激活）才打開 SSR 是非常不錯(cuò)的選擇。 這些所謂的過零器件能在 AC 輸出處于中間周期的同時(shí)，消除接通大功率電路時(shí)可能產(chǎn)生的浪涌電流和電壓尖峰。這樣會(huì)降低 EMI 的發(fā)生率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意，盡管過零 SSR 特別適合于阻性負(fù)載（例如加熱器），但卻不適合高感性負(fù)載。

對于此類應(yīng)用，更好的選擇是所謂的隨機(jī)開關(guān)式 SSR。這些器件會(huì)在輸入開關(guān)被激活時(shí)立即執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作，而不是等待 AC 電源達(dá)到零。 提供 Sensata-Crydom 品牌 SSR 的 Sensata Technologies 最近為其 LN 系列 AC 輸出低噪聲范圍 SSR 新推三種產(chǎn)品。LND4425 可向輸出提供 25 安培 (A) 電流，LND4450提供 50 A，LND4475 提供 75 A。這種器件需要最小 100 毫安 rms (mArms) 負(fù)載電流即可穩(wěn)定運(yùn)行，其外形只有“冰球”大小且重約 75 克 (g)（圖 4）。所有這三種解決方案均提供 48 - 528 V 交流輸出，采用 4.8 - 32 V DC 控制電壓。這些器件內(nèi)置輸入/輸出過壓保護(hù)，從輸入到輸出的介電強(qiáng)度為 3500 Vrms。

LN 系列工作時(shí)具有最低 EMI。該系列通過輸入端帶有光電隔離開關(guān)的光耦合器和背對背 SCR 進(jìn)行輸出控制，以克服由于 dv/dt 緩慢產(chǎn)生的潛在 EMI。背靠背 SCR 的 dv/dt 為 500 V/μs。該產(chǎn)品還具有獲得專利的觸發(fā)電路，可實(shí)現(xiàn) EMI 最小的阻式負(fù)載切換。LN 系列 SSR 的原理圖如圖 5 所示。

有了這些 EMI 減緩功能，器件將最終符合 IEC60947-4-3 環(huán)境 B 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于低壓家庭、商業(yè)和輕工業(yè)場所的規(guī)定（圖 6）。

LN 系列特別適合諸如商用烤箱加熱器等應(yīng)用，如圖 7 所示。

結(jié)論

繼電器是使用低功率激活電路切換高功率電路的簡單且成熟的解決方案。在需要低成本解決方案的情況下，EMR 將是很好的選擇，但不適用于高頻開關(guān)應(yīng)用和 EMI 敏感區(qū)域。SSR 成本高，但實(shí)現(xiàn)了工作穩(wěn)定，無磨損，而且尤其兼容通過數(shù)字電子器件進(jìn)行控制。然而與 EMR 相比，設(shè)計(jì)人員應(yīng)意識到選擇 SSR 時(shí)會(huì)在同類應(yīng)用產(chǎn)生較大的散熱，這是更高棘手的難題。 盡管所有類型的 SSR 都具有比 EMR 更低的EMI，但某些設(shè)計(jì)仍難以滿足 EMC 法規(guī)要求，例如 IEC60947-4-3 環(huán)境 B 規(guī)范的規(guī)定。如圖所示，該解決方案是將 SSR 與背對背 SCR 輸出級一起使用。這些器件提供過零開關(guān)，因此只發(fā)生超低射頻輻射，從而更容易滿足法規(guī)要求。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：如何使用特種低噪聲固態(tài)繼電器抑制 EMI 并滿足關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)

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