如何使用專用型低雜訊固態繼電器來限制 EMI 並符合關鍵標準

自三十年前問世以來，固態繼電器 (SSR) 就已經在要求超高可靠度、無電弧、低功耗操作的切換式應用中取代電磁繼電器 (EMR)。SSR 的其他優勢包括無雜訊操作，並且相容於數位控制電路。

但在嚴格的家用、商業及醫療應用中，尤其是務必要遵守 IEC 60947-4-3 等電磁相容性 (EMC) 國際標準的應用，就必須謹慎挑選繼電器，藉此確保繼電器產生的電磁干擾 (EMI) 可降至最低。有些產品會產生電壓尖波因此有不符合 EMC 標準的風險。

本文將說明 SSR 的優缺點以及其最適合的應用。本文接著將查看繼電 器中會產生干擾輻射的關鍵零件，然後再介紹 Sensata Technologies 推出的一系列低雜訊 SSR。設計人員可在對 EMI 敏感的商用、家用與醫療應用中使用這些產品。

EMR 與 SSR 的比較

由於封閉後會暴露到完整的電路電流，因此使用開關將高功率電路導通與關斷並不實際。開關在操作期間會產生危險的電弧，且操作時可能會過熱。解決方案就是使用低功率電路，以傳統開關進行導通與關斷，藉此觸發高功率電路。

此配置的優點包括降低成本與縮減空間，因為可縮短高功率電路所需的龐大接線長度。這些優點是因為繼電器可放置在靠近負載的位置，且可使用較細的電線來連接低功率開關。此開關通常處於位於使用者較方便操作的位置。除此之外，低功率電路可跟高功率電路達到電流隔離。採用繼電器的範例包括商用烤箱、家電與醫療設備。

傳統的 EMR 採用線圈，然後用低功率電路通電來產生磁場，再由磁場將觸點閉合 (常開)。EMR 可切換 AC 或 DC 負載高達其最大額定值。接觸電阻會隨著負載提高而降低，進而降低功率耗散，因此就不需要使用散熱片 (圖 1)。

圖 1：在低功率電路中的開關關斷時，EMR 可將 AC 電源接至負載，並將線圈通電進而閉合觸點。(圖片來源：DigiKey)

EMR 的關鍵優點在於低成本，並可保證在低於裝置介電額定值的任何施加電壓下達到隔離。當高功率電路必須完全導通或關斷時，隔離特別重要，以免使用者受到漏電流的傷害。如果 AC 電源預期會有大突波電流或電壓尖波，EMR 也是良好的選項。

EMR 的主要缺點在於有 EMI 與磨損的可能性。由於觸點開啟與閉合時會引發電弧，因此繼電器會產生一定程度的 EMI。一般來說，程度並不高，且設計良好的 EMR 都具有屏蔽可減輕任何輻射，但若應用的區域靠近 EMI 敏感設備，還是要多加謹慎考量。

由於 EMR 屬於機械式裝置，即便是最優良設計且製造的產品終究還是會磨損。在絕大多數情況中，都是線圈會先故障，而讓裝置處於失效安全的狀態，因為觸點為常開 (NO)，會讓低功率電路與高功率電路隔離。即便如此，現代 EMR 其實非常可靠，通常會是由繼電器供電的設備先磨損。

SSR 的優勢在於其用來切換高功率應用的控制電路已經轉用數位電子元件。SSR 誠如其名，是半導體型裝置，因此非常適合由微控制器式的數位電路進行監督，特別是高速切換的應用。

SSR 可克服 EMR 的主要缺點由於沒有活動零件，SSR 不會磨損。此裝置通常可運作上千萬次循環，但若故障則通常會處於「導通」位置，而這可能有安全上的考量。SSR 在導通或關斷時不會產生電弧，因此不僅適合用於危險環境，也不會有破壞 EMR 的多種 EMI 來源。此外也沒有機械噪聲，可在寬廣的輸入電壓範圍內運作，即便在高電壓時也只消耗少許電力。從 EMR 轉用 SSR 的趨勢加速進展，因為後者的價格持續下降。

SSR 的主要缺點來自於其屬於半導體電路的本質。例如，在「導通」狀態下，會有大量的電阻，導致數十瓦的功率耗散進而造成積熱。散熱難題通常要由設計人員解決，因此必須納入足夠的散熱片，而這會造成解決方案的尺寸及重量增加。SSR 也會受到環境高溫影響，因此若在升溫下使用就必須降額。內部電路電阻也會導致壓降，若負載對電源電壓的變化較為敏感，就可能會產生問題。但在「關斷」狀態下，SSR 會出現一些漏電流。在高電壓下，這可不樂見，甚至會有安全疑慮。此外，許多 SSR 需要最小的負載才可正常操作。

SSR 操作的基本知識

SSR 的關鍵零件就是輸出開關。在 AC 輸出繼電器中，輸出可由三端雙向可控矽開關元件或背對背矽控整流器 (SCR) 來控制。SCR 解決方案的主要優點在於具有快速 dv/dT 特性，尤其是繼電器「關斷」時。

舉例而言，若 SSR 採用三端雙向可控矽開關元件控制輸出，其關閉時 dv/dt 最慢可達 5 至 10 V/ms。此緩慢的 dv/dt 特性可能會引起問題，因為若電流降低時的 di/dt (及／或重新施加電壓時的 dv/dt ) 太淺，三端雙向可控矽開關元件可能會在 AC 電源越過零電流／電壓點時導通。此類情況會讓輸出不穩定且會導致 EMI 增加。

相較之下，SCR 的 dv/dt 約為 500 v/μs，且不會再越過零交叉點時導通。具有 SCR 的 SSR 還有另一個優點，就是具有更優異的散熱效果，因為其元件比起單一 TRIAC 分佈在更寬廣的區域。本文的剩餘章節將說明搭配背對背 SCR 輸出級的 SSR。

採用 SCR 的基本 SSR 如圖 2 所示。AC 輸出 SSR 通常是由 AC 線路供電。當 S1 (由輸入電路控制) 關閉時，SCR1 及 SCR2 的對應閘極會連接，而 AC 電源的電流會流經 R1 或 R2，然後進入 SCR 有順向偏壓的閘極。如此會將 SCR「開啟」且繼電器會導通，即可供電給負載。AC 電源每半個循環，SCR 就會交替導通，電流就會供應到負載。S1 開啟時，任一「開啟」的 SCR 就會持續導通，直到 SCR「關閉」而 AC 電流達到零為止。此時，其他 SCR 不會再收到任何閘極電流，繼電器會開啟，負載的供電會解除。

圖 2：使用背對背 SCR 的繼電器基本佈局。S1 是由低功率輸入電路組成。(圖片來源：Sensata-Crydom)

現代 SSR 通常仰賴光電耦合器在低功率與高功率之間提供隔離。設計人員有兩個主要選項可使用，即使用 LED／光電晶體式光耦合器，或使用結合 LED 與光學 TRIAC 的裝置。光電晶體需要較少的控制電流，因此可節省空間，能讓設計人員更靈活配置控制電路的特性。TRIAC 作法的主要優勢在於成本較低。以光學 TRIAC 控制的繼電器線路圖如圖 3 所示。

圖 3：在 SSR 中，低功率與高功率電路之間的隔離是由光學 TRIAC 架構的光耦合器達成。(圖片來源：Sensata-Crydom)

(若要進一步瞭解如何挑選 SSR，請參閱 DigiKey 的技術文章《如何安全有效地使用 SSR 切換電流或電壓》。)

低 EMI 環境用的 SSR

選擇含有 SCR 控制型輸出的 SSR 對 EMI 敏感的應用來說是個不錯的作法，因為這些裝置在本質上具有低雜訊的特性。若是特別敏感的應用，例如需要使用符合 IEC 60947-4-3 標準之切換式產品的應用，則應挑選超低雜訊產品。對於這些應用來說，只有在 AC 電壓越過零電壓點時才會開啟的 SSR (無論輸入何時啟動) 是不錯的選擇。

這些零交叉裝置，不會在 AC 輸出循環一半而啟動高功率電路時產生湧入電流與電壓尖波。因此可降低 EMI 的發生機率。設計人員應注意，即便零交叉 SSR 特別適合加熱器等電阻式負載，但卻不適合高電感式負載。對這些應用來說，隨機切換式 SSR 是更好的選擇。這些 SSR 會在輸入開關啟動時立即切換，不用等到 AC 電源達到零。

Sensata Technologies 提供 Sensata-Crydom 品牌 SSR，近期推出三款 LN 系列 AC 輸出低雜訊 SSR 新品。LND4425 可供應 25 A 至輸出，LND4450 可供應 50 A，LND4475 則可供應 75 A。這些裝置需要最小 100 毫安培 _rms (mA_rms) 的最小負載電流以達到穩定操作，並以「曲棍球球餅」形式供貨，重量約為 75 g (圖 4)。三種解決方案都具有 48 至 528 VAC 輸出，並可以 4.8 至 32 VDC 控制電壓操作。內建輸入／輸出過壓防護，且輸入至輸出的介電強度為 3500 V_rms。

圖 4：Sensata-Crydom 的 LND44xx SSR 提供高達 75 A 和 528 V，採用小型解決方案設計，重量僅 75 g。(圖片來源：Sensata-Crydom)

LN 系列的設計可達到最低 EMI 操作。採用光耦合器且在輸入端具有光學 TRIAC，並具有背對背 SCR 提供輸出控制，可避免因緩慢 dv/dt 的特性而產生潛在的 EMI。背對背 SCR 的 dv/dt 為 500 v/μs。此產品亦具有專利的觸發電路，能促成電阻式負載切換且僅有最小的 EMI。LN 系列 SSR 的線路圖如圖 5 所示。

圖 5：Sensata-Crydom 的 LN 系列 SSR 具有專利的觸發電路與背對背 SCR 等特點，可將 EMI 降至最低。(圖片來源：Sensata-Crydom)

透過這些 EMI 減緩特點，因此可符合 IEC60947-4-3 對低電壓居家、商業與輕工業地點的環境 B 標準 (圖 6)。

圖 6：Sensata-Crydom LND4450 SSR 的導通 RF 輻射測試。IEC60947-4-3 環境 B 標準的合規臨界值如橘色實心線所示。(圖片來源：Sensata-Crydom)

LN 系列特別適合商業烤箱的加熱器等應用，如圖 7 所示。

圖 7：商業烤箱所用的繼電器應符合 IEC60947-4-3 環境 B 標準。在此圖片中，繼電器的位置以號碼標示，其中「1」代表 LND44xx SSR 是良好的選擇。(圖片來源：Sensata-Crydom)

結論

繼電器是簡易且經過實證的解決方案，可針對採用低功率啟動電路的高功率電路進行切換。若需要低成本解決方案，EMR 是良好的選擇，但較不適合用於高頻切換式應用及 EMI 敏感區。SSR 較昂貴但提供更堅固且無磨損的操作，特別相容於數位電子式控制。然而，設計人員若選擇 SSR 則應注意其帶來的散熱難題，因為相較於 EMR，其在同等應用中具有較高的熱耗散。

即便所有類型的 SSR 產生的 EMI 都比 EMR 更低，有些設計人員在符合 EMC 法規的要求上還是有所困難，例如 IEC60947-4-3 環境 B 的要求。如本文所述，解決方案就是使用 SSR 搭配背對背 SCR 輸出級。如此即可提供零交叉切換，可達到超低 RF 輻射，即可輕鬆符合法規要求。