固态继电器的现代设计思维图（固态继电器的现代设计思维是什么）

固态继电器(SSR) 是用于负载开/关控制的半导体型器件。 SSR常用的半导体包括两种类型的功率晶体管和两种类型的晶闸管。功率晶体管包括双极结型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。晶闸管包括可控硅整流器（SCR）和三极管交流开关（TRIAC）。

这些半导体由小的外部电压或电流控制。因此，半导体可以用低输入功率控制高输出功率型负载。负载电流可以是交流电(AC) 或直流电(DC)，这决定了用于执行开关功能的半导体类型。除了负载控制之外，SSR 还可以根据具体应用进行绝缘或半绝缘。

与机电继电器(EMR) 相比，SSR 没有机械触点，机械触点会磨损并限制终端设备的使用寿命。一些可以利用SSR 的终端设备包括供暖、通风和空调(HVAC) 系统控制、恒温器、工厂自动化可编程逻辑控制器(PLC) 以及测试和测量设备等。

控制交流负载

晶闸管和功率MOSFET 通常控制交流负载。晶闸管是一种锁存器件，当栅极接收到电流脉冲时，它开始导电，并将继续导电，直到电流降至零。晶闸管系列包括SCR 和TRIAC。 SCR 是一种单向半可控开关，当负载电流降至零时打开。

由于可控硅的单向功能，采用两个反并联可控硅配置的TRIAC来控制交流电流，如图1所示。TRIAC将实现正负电流的可控切换。从栅极控制信号去除到电流降至零之间，电流降至零的延迟时间长达半个周期。当不需要控制断开时间时，这并不理想。例如，当今的智能恒温器包含更多功能并且需要更多电力。恒温器由HVAC 电源自供电，而不是消耗恒温器电池的额外电力。只有控制开启和关闭时间，该解决方案才可能实现。

图1：带交流负载的TRIAC SSR

解决这个问题的方法是功率MOSFET。功率MOSFET 是双向的，但只能在一个方向上完全可控。通过串联使用两个MOSFET，如图2 所示，可以完全控制交流电流以及MOSFET 的开通和关断时间。对于任一MOSFET 的体二极管，在导通期间均可流过正电流和负电流。图3a 显示了电流如何流过MOSFET 及其相应的体二极管。

在关断期间，两个MOSFET 的体端子会阻止电流流动。顶部体二极管针对正电压反向偏置，底部体二极管针对负电压反向偏置，如图3b 所示。栅极驱动电路的输入电容和电流驱动能力决定了MOSFET的开通和关断时间。

图2：带有交流负载的MOSFET SSR

图3：导通期间电流流过MOSFET SSR (a)；休息时间(b)

凭借低导通电阻和广域电流/电压功能，并得益于各种封装选项（包括经过行业验证、测量精度为1.53 mm x 0.77 mm 的LGA 器件），您可以使用TI MOSFET 轻松增强您的设计。设计时不影响性能。例如，采用3.3mm x 3.3mm SON 封装的100V NexFET CSD19537Q3 N 沟道功率MOSFET 可以控制建筑物内HVAC 系统中的交流负载。

控制直流负载

功率BJT 或MOSFET 通常控制直流负载。功率BJT 是单向且完全可控的器件，而功率MOSFET 是双向的，但只能在一个方向上可控，如上面I 中所讨论的。由于直流电流是单极的，因此只需要一个BJT 或MOSFET，如图4 所示。这两种器件都需要一个恒定的控制信号来保持导通。 SCR 和TRIAC 不适合此类应用，因为直流负载中的电流不会变为零并导致两个设备自然断开。直流负载的一个例子是家用电器或工业系统中的直流电机。

图4：具有功率BJT (a) 或功率MOSFET (b) 的直流负载SSR

绝缘

SSR 用于需要高电压或多负载控制的应用。将两个或多个负载集成到系统中时，绝缘是必要的。在这种情况下，即使在低压系统中，也必须通过绝缘来保持接地隔离。用于SSR 的两种典型隔离方法是变压器耦合和光隔离器耦合。

在变压器耦合中，施加到变压器初级侧和次级侧的控制信号触发电源开关。变压器的好处是当信号传递到次级电路时可以转换功率。

在光绝缘体耦合中，光敏半导体感测由发光二极管(LED) 或红外源等光源施加的控制信号。来自光敏半导体的信号触发电源开关。该方法不涉及控制输入和负载之间的电气连接，确保电气隔离。缺点是必须为不包括光耦晶闸管的二极管侧电路提供单独的电源。

如果不需要绝缘（例如在控制单个负载的低压系统中），可以使用直接交流和直流控制。直接控制是指控制电路无需额外绝缘即可提供触发功能。由于设计简化，当主要考虑成本时，直接控制更可取。

审稿编辑：郭婷