如何選擇合適的固態繼電器以滿足應用要求

固態繼電器 (SSR) 運用於更多元的領域，包括塑膠、包裝、食品和飲料、暖通空調、半導體、再生和傳統能源、石油和天然氣、運輸、印刷、實驗室、窯爐、照明、醫療和動作控制。固態繼電器沒有活動零件且使用壽命長，常用來替代電磁繼電器。此外，也不會有接觸表面的電弧造成觸點腐蝕和電氣干擾。

固態繼電器具備多種配置，可支援各種負載類型，因此設計人員必須瞭解如何選擇滿足預期用途的固態繼電器。尤其是在工業應用中，例如控制馬達、幫浦、風扇的電感式負載，需選用與電阻式負載的加熱和照明應用不同的繼電器類型。

本文簡要討論為何在工業和工廠自動化中，固態繼電器是最佳首選。接著以 Carlo Gavazzi 的元件為例，描述其用途、特性，以及如何針對應用做選擇。

為何選用固態繼電器？

工業和工廠自動化系統的切換裝置需要具有低成本、可靠性、快速致動時間，並且要無觸點跳動或電弧，以及最小電磁干擾 (EMI)、不易受嚴峻環境影響、對機械衝擊和振動具有高耐受性的特點。固態繼電器使用半導體元件取代機械繼電器的電樞和觸點進行切換，因此能滿足這些要求。由於完全封閉，固態繼電器還能耐衝擊、振動、潮濕、腐蝕性化學物質、灰塵。因此其壽命更長、可靠性更高。

針對應用選擇合適的固態繼電器需要瞭解所控制的負載和固態繼電器的基本特性，讓繼電器規格與應用需求相符。

固態繼電器控制和負載規格

固態繼電器可以使用交流或直流控制電壓進行控制。直流控制採用低電壓，通常為 4 V 至 32 V。也可以使用 4 mA 至 20 mA 電流迴路或 1 V_DC 至 10 V_DC 類比輸入。交流控制使用 24 V_AC 至 275 V_AC 範圍的電壓。

固態繼電器負載可以是交流或直流。亦提供最大交流負載電壓高達 690 V_AC 和交流電流額定值為 125 A 的固態繼電器。直流額定值為 500 V_DC 和 100 A。

電氣負載類型

電氣負載的分類依據其主要電氣特性。馬達、風扇、幫浦屬於電感式負載。負載電流和電壓相位不同，電流落後於電壓。電感式負載藉由產生稱為「反電動勢 (EMF)」的反電壓電位，抵抗負載電流的變化。用於電感式負載的固態繼電器必須能夠處理這些電壓。

加熱器、烤箱、電爐、烘乾機、燈等裝置都屬於電阻式負載。電阻式負載中的電壓和電流同相。

電容式負載可抵抗負載電壓的變化。電容式負載中的電流和電壓相位不同，電流領先於電壓。大多數切換式電源供應器和一些醫療裝置 (如去顫器) 都有電容式負載。電壓首次施加到電容式負載時，會提供非常低的阻抗值，產生高湧入電流。

每種負載的特性決定控制所需的固態繼電器類型。

固態繼電器的類型

五種常用的固態繼電器類型 (圖 1)：零切換或零交叉、即時開啟或隨機切換、直流切換、峰值切換、相位角或類比切換。

圖 1：固態繼電器的類型由固態繼電器相對於線路電壓的切換時間決定。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

固態繼電器由元件相對於線路電壓相位的切換時間分類。零切換固態繼電器屬於交流繼電器，施加控制訊號後，在線路電壓的第一個零交叉處切換負載。固態繼電器的切換時間最長為線路頻率的半個週期，因此若是 60 Hz 的線路頻率，其切換時間為 8.3 ms。零切換固態繼電器主要用於電阻式負載，以限制切換時的高突波電流。由於連接負載時線路電壓為零，因此電阻式負載的電流也為零。此類型的繼電器也適用於大多數電感式和電容式負載。

隨機切換或即時開啟的固態繼電器也是一種交流繼電器，在施加控制電壓後立即向負載供電。在線路電壓的任何相位下開啟。典型的反應延遲小於 1 ms。隨機切換繼電器用於電感式負載。

直流切換固態繼電器適用於直流電阻式和電感式應用。與隨機切換繼電器一樣，在施加控制訊號後立即連接負載。響應時間小於 100 ms。

峰值切換固態繼電器施加控制電壓後，在下一個線路電壓峰值處切換。這些繼電器用於變壓器等重型電感式負載。

相位角或類比切換固態繼電器讀取類比控制訊號的電壓。會改變繼電器輸出的導通週期，與控制電壓的振幅成比例。此類型的固態繼電器用於封閉迴路系統和使用軟啟動限制湧入電流的應用。

其他固態繼電器類型 (如上述類型的變款) 則較少使用，以滿足特殊應用需求。

極數

固態繼電器是單擲元件，可開啟或關閉一個極點。極數指所能控制的線路電壓數目。單相交流線路或直流線路需要單極固態繼電器。220 V 單相線路需要雙極，分別用於兩個 110 V 分量電源。三相應用需要三極繼電器。

繼電器分為單極單擲 (SPST)、雙極單擲 (DPST) 或三極單擲 (3PST)。

固態繼電器的設計

固態繼電器的功能方塊圖依據其用於交流或直流應用而有所不同。雙極交流應用的固態繼電器，例如 Carlo Gavazzi 的 RK2A60D50P DPST 零切換繼電器 (圖 2)，使用閘流管作為控制元件。

圖 2：用於交流應用的 RK2A60D50P DPST 固態繼電器的功能方塊圖。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

RK2A60D50P 可處理的額定輸出電壓為 660 V，輸出電流高達 50 A。此系列中的其他固態繼電器可處理高達 75 A 的輸出電流。其需要 4 V_DC 至 32 V_DC 的控制電壓。與所有固態繼電器相同，使用一個光耦合器確保控制電壓源和 4,000 V_RMS 線路之間的電氣隔離。此繼電器的兩個輸出有一個共用控制輸入；此系列產品中的其他型號的每個輸出都有獨立的控制輸入。施加控制電壓時，會啟動零交叉偵測器，該偵測器在兩個極點的線路交叉處觸發反並聯閘流管。

直流應用為單極，使用電晶體作為主要切換元件。顯示於 Carlo Gavazzi RM1D060D50 SPST 直流固態繼電器的功能方塊圖中 (圖 3)。

圖 3：RM1D060D50 SPST 直流固態繼電器的功能方塊圖；直流固態繼電器使用電晶體作為主要切換元件。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

此元件可處理 1 V_DC 至 60 V_DC 的輸出電壓和 50 A 的輸出電流。此系列固態繼電器的繼電器可處理 500 V_DC 和 100 A 的電流。由於線路為單極直流，因此使用 MOSFET 作為主開關。因此可讓繼電器的開啟和關閉響應時間均小於 100 ms。此繼電器的切換速度為 1,000 Hz，其直流控制電壓範圍為 4 V_DC 至 32 V_DC。此系列產品中的其他元件提供高達 280 V 的交流控制電壓。控制電壓也與線路進行光學隔離，隔離電壓為 3750 V_RMS。

控制線路和負載之間也可以使用變壓器耦合達到電氣隔離。如 Carlo Gavazzi RP1D060D8 的方塊圖 (圖 4) 所示，使用經 RF 變壓器耦合的調變 RF 源，在輸入和輸出之間提供電流隔離。

圖 4：RP1D060D8 以變壓器耦合進行電流隔離。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

此直流切換固態繼電器可處理的額定電壓為 350 V_DC，電流為 8 A。使用 4.25 V_DC 至 32 V_DC 的直流控制電壓。納入 4-SIP 封裝，具有四個通孔引腳，間距為 0.1" 的倍數。與其他固態繼電器的不同之處在於其尺寸更小，且使用變壓器耦合隔離輸入和輸出。其隔離規格為 4,000 V_RMS，關閉時切換響應時間小於 100 ms，開啟時切換響應時間小於 250 ms。

工作溫度範圍

固態繼電器將電壓切換至 660 V，將電流切換至 100 A，並且會產生大量的熱。切換時會有功率耗散，此時通過繼電器的電流和繼電器兩端的電壓不為零。必須使用散熱片將熱從繼電器中移除。環境溫度會影響固態繼電器的最大額定電流，因此在溫度升高時必須降低額定電流。通常，若輸出電流為 5 A 以下，固態繼電器無需散熱片即可運作。如果繼電器安裝在金屬表面上，此限制可提高至 8 A。Carlo Gavazzi 提供與特定固態繼電器型號匹配的散熱片，以確保在任何熱環境下均能達到最佳效能。

安裝類型

固態繼電器提供多種封裝類型 (圖 5) 以搭配預期應用。大多數安裝類型要求將繼電器固定在導熱表面或散熱片上以控制裝置的溫度。

圖 5：固態繼電器常見安裝配置的範例。(圖片來源：Carlo Gavazzi Inc.)

Carlo Gavazzi 的 RZ3A60D55 (左) 是一款交流、零切換、3PST 固態繼電器，額定輸出為 660 V 和 55 A，由 4 V_DC 至 32 V_DC 輸入訊號控制。採用模組化底盤安裝系統，所有三個切換元件都安裝在一個共用底板上。使用導熱墊或散熱化合物，將底板安裝到導熱表面。

冰球型固態繼電器 (hockey puck SSR) 因其厚實的外形和緊密的結構得名。其封裝結構堅固，因此更能耐衝擊和振動，並提高在嚴峻工業環境下的可靠性。上述 RM1D060D50 (圖 5 ，左二) 即是使用冰球型封裝的固態繼電器。

系統級封裝 (SIP) 模組是印刷電路板 (PCB) 安裝外殼，用於完整電子子系統。前文所述的 RP1D060D8 直流固態繼電器如圖 5 (左三) 所示，採用四引腳 (4-SIP) 封裝。此固態繼電器控制 8 A 或更小的輸出電流，可安裝在印刷電路板上，無需散熱片。

DIN 軌位於外殼內部，是用於安裝斷路器、電源供應器、固態繼電器等電氣元件的金屬導軌。Carlo Gavazzi 的 RGS1A60D50KKE 是一款 SPST 交流零切換 固態繼電器，採用 DIN 軌安裝，如圖 5 最右側所示。其輸出可以切換 660 V 和 50 A。採用 4 V_DC 至 32 V_DC 的直流控制線路。DIN 模組寬度僅 17.5 mm，可達到緊湊的安裝。安裝軌可提供部分冷卻，也可以使用與 DIN 軌相容的散熱片。

結論

固態繼電器沒有移動零件，且不會因接觸表面的電弧而造成觸點腐蝕或電氣干擾，因此具有工業和工廠自動化所需的高可靠性。憑藉 Carlo Gavazzi 等具備豐富固態繼電器產品的供應商，可以順利選擇合適元件。設計人員若能瞭解固態繼電器的操作、特性、應用，就可以更有信心找到符合設計要求的合適繼電器。