自從三十多年前推出以來，固態繼電器 (SSR) 已經取代了電磁繼電器 （EMR)，可用于要求超可靠、無電弧、低功耗運行的開關應用。SSR 的其他優點包括無噪聲運行以及兼容數字控制電路。 但是，在要求苛刻的家居、商業和醫療應用中——尤其是那些需要遵守國際電磁兼容性 (EMC) 標準的應用（例如 IEC 60947-4-3），需要認真選擇繼電器，以確保繼電器產生的電磁干擾 (EMI) 最小。某些產品可能會產生電壓尖峰，存在違反 EMC 標準的風險。

本文將介紹 SSR 的優缺點及其最適合的應用。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鍵部分，設計人員可將其用于對 EMI 敏感的商業、家居和醫療應用。

EMR 對比 SSR

由于在吸合時會暴露于全電路電流下，因此使用開關接通和切斷大功率電路是不切實際的。該開關會在運行期間產生危險電弧，工作時發生過熱。這種解決方案是通過常規開關接通和切斷低功率電路，從而觸發高功率電路。 這種布置的優點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。

之所以具有這些優點，是因為繼電器可以安裝負載附近，可以使用較細的導線與低功率開關連接。這種開關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、家用電器和醫療設備。 傳統 EMR 使用由低功率電路供電的線圈來產生磁場，再由該磁場閉合（常開）觸點。EMR 可以將交流或直流負載切換到其最大額定值。觸頭的接觸電阻隨著負載的增加而減小，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通或關斷時，不得由于泄漏電流造成用戶受傷的危險，此時隔離就顯得尤其重要。如果預計 AC 電源中會出現大浪涌電流或尖峰電壓，則 EMR 也是不錯的選擇。 EMR 的主要缺點是潛在的 EMI 和磨損。由于觸點打開和閉合時可能會產生電弧，因此繼電器會產生明顯的 EMI。通常，這種級別很低，設計良好的 EMR 含有屏蔽結構，會減少排放，但是在靠近 EMI 敏感型設備的區域中使用時仍需要注意。

因為 EMR 是機械設備，所以即使是設計和制造最好的產品也會最終出現磨損。大多數情況下，首先出現故障的是線圈并且由于觸點常開 (NO)，所以會導致器件處于故障安全狀態，從而使低功率電路與高功率電路隔離。也就是說，現代 EMR 非常可靠，且通常情況下通過繼電器供電的設備會先出現磨損。

隨著用于切換大功率應用的控制電路升級至數字電子設備，SSR 逐漸有了用武之地。顧名思義，SSR 是基于半導體的設備，因此非常適合通過基于微控制器的數字電路進行電路監控，尤其適合監控開關速度高的應用。 SSR 克服了 EMR 的主要缺點。因為不含活動部件，所以 SSR 不會發生磨損。這種設備通常執行數千萬個操作周期，但是當它們發生故障時，通常處于“接通”位置，這可能會帶來安全隱患。SSR 在閉合或斷開時不會產生電弧，這不僅使它們適合在危險環境中使用，而且能消除大部分困擾 EMR 的 EMI 源頭。

SSR 也不會產生機械噪聲，可在很寬的輸入電壓范圍內工作，即使在高電壓下也能實現低功耗。隨著 SSR 的價格越來越低，從 EMR 到 SSR 的轉換已經加速。 SSR 的主要缺點來自其作為半導體電路的基礎元器件。例如，當“接通”時其電阻很大，從而導致數十瓦的功率耗散并由此產生熱量。為克服散熱難題，設計人員通常必須為其選擇一個堅固耐用的散熱器，但這樣會增加解決方案的尺寸和重量。此外 SSR 還會受到環境熱量的影響，因此，高溫下使用時必須降低額定功率。如果內部電路電阻對電源電壓的變化敏感，則內部電路電阻也會產生電壓降，這可能造成負載問題。在“打開”狀態下，SSR 會產生一定的泄漏電流。這是高電壓下不希望出現的情況，甚至會造成安全問題。此外，許多 SSR 要求最小負載才能正常運行。

SSR 的基本工作原理

輸出開關是 SSR 的關鍵部分。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 解決方案的主要優勢在于其快速 dv/dt 特性，尤其是在繼電器“打開”時。 例如，當一個帶三端雙向可控硅開關控制輸出的 SSR 關閉時，dv/dt 可能慢至 5 到 10 伏/毫秒 (v/ms)。dv/dt 緩慢特性可能會成為問題，因為如果降低電流的 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在 AC 電源穿過零電流/電壓點后導通。這種事件會使輸出不穩定并能增加 EMI。 相比之下，SCR 的 dv/dt 約為 500 伏/微秒 (v/μs），過零點之后不會導通。

帶 SCR 的 SSR 的另一個優點是，與單個三端雙向可控硅開關器件相比，這些組件分散在更大的范圍內，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 S1（由輸入電路控制）閉合時，SCR1 和 SCR2 各自的柵極連接，AC 電源的電流流經 R1 或 R2 并進入任何一個正向偏置的 SCR 柵極。這樣，SCR 就會打開，繼電器導通，向負載供電。對于 AC 電源的每個半個周期，SCR 會交替導通，向負載提供電流。當 S1 打開時，無論哪個 SCR 處于“導通”狀態，都將繼續導通，直到 SCR 變為“斷開”時 AC 電流達到零。此時，另一個 SCR 阻止任何柵極電流流入，繼電器斷開，并且負載電源切斷。

現代 SSR 通常依靠光耦合器將低功率和高功率電路隔離。對于設計人員來說有兩個關鍵選擇：使用基于 LED/光電晶體管的光耦合器或結合了 LED 和光電隔離開關的器件。光電晶體管所需的控制電流較少且節省空間，也確實為設計人員帶來了更多配置控制電路特性的機會。三端雙向可控硅開關方法的主要優點是其成本較低。圖 3 所示為由光電隔離開關控制的繼電器原理圖。

用于低 EMI 環境的 SSR

對于 EMI 敏感性應用，具有 SCR 控制輸出的 SSR 將是一個不錯的選擇，因為這些器件的固有噪聲低。對 EMI 特別敏感的應用，如要求使用符合 IEC 60947-4-3 標準的開關產品的一類應用，更應選擇超低噪聲產品。對于這些應用而言，僅在 AC 電壓超過零電壓點時（無論輸入何時激活）才打開 SSR 是非常不錯的選擇。 這些所謂的過零器件能在 AC 輸出處于中間周期的同時，消除接通大功率電路時可能產生的浪涌電流和電壓尖峰。這樣會降低 EMI 的發生率。設計人員應注意，盡管過零 SSR 特別適合于阻性負載（例如加熱器），但卻不適合高感性負載。

對于此類應用，更好的選擇是所謂的隨機開關式 SSR。這些器件會在輸入開關被激活時立即執行開關動作，而不是等待 AC 電源達到零。 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) 負載電流即可穩定運行，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。這些器件內置輸入/輸出過壓保護，從輸入到輸出的介電強度為 3500 Vrms。

LN 系列工作時具有最低 EMI。該系列通過輸入端帶有光電隔離開關的光耦合器和背對背 SCR 進行輸出控制，以克服由于 dv/dt 緩慢產生的潛在 EMI。背靠背 SCR 的 dv/dt 為 500 V/μs。該產品還具有獲得專利的觸發電路，可實現 EMI 最小的阻式負載切換。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 環境 B 標準關于低壓家庭、商業和輕工業場所的規定（圖 6）。

LN 系列特別適合諸如商用烤箱加熱器等應用，如圖 7 所示。

結論

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應用和 EMI 敏感區域。SSR 成本高，但實現了工作穩定，無磨損，而且尤其兼容通過數字電子器件進行控制。然而與 EMR 相比，設計人員應意識到選擇 SSR 時會在同類應用產生較大的散熱，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，但某些設計仍難以滿足 EMC 法規要求，例如 IEC60947-4-3 環境 B 規范的規定。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，因此只發生超低射頻輻射，從而更容易滿足法規要求。

責任編輯：xj

原文標題：如何使用特種低噪聲固態繼電器抑制 EMI 并滿足關鍵標準

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