如何使用特种低噪声固态继电器抑制 EMI 并满足关键标准

自从三十多年前推出以来，固态继电器 (SSR) 已经取代了电磁继电器 （EMR)，可用于要求超可靠、无电弧、低功耗运行的开关应用。SSR 的其他优点包括无噪声运行以及兼容数字控制电路。

但是，在要求苛刻的家居、商业和医疗应用中——尤其是那些需要遵守国际电磁兼容性 (EMC) 标准的应用（例如 IEC 60947-4-3），需要认真选择继电器，以确保继电器产生的电磁干扰 (EMI) 最小。某些产品可能会产生电压尖峰，存在违反 EMC 标准的风险。

本文将介绍 SSR 的优缺点及其最适合的应用。然后，在介绍 Sensata Technologies 的一系列低噪声 SSR 之前，我们探讨可能造成排放问题的继电器关键部分，设计人员可将其用于对 EMI 敏感的商业、家居和医疗应用。

EMR 对比 SSR

由于在吸合时会暴露于全电路电流下，因此使用开关接通和切断大功率电路是不切实际的。该开关会在运行期间产生危险电弧，工作时发生过热。这种解决方案是通过常规开关接通和切断低功率电路，从而触发高功率电路。

这种布置的优点之一就是由于减小了大功率电路所需的重型布线长度，从而减少了成本和空间。之所以具有这些优点，是因为继电器可以安装负载附近，可以使用较细的导线与低功率开关连接。这种开关通常位于更方便用户使用的位置。另外，可将低功率电路与高功率电路电隔离。使用继电器的例子包括商用烤箱、家用电器和医疗设备。

传统 EMR 使用由低功率电路供电的线圈来产生磁场，再由该磁场闭合（常开）触点。EMR 可以将交流或直流负载切换到其最大额定值。触头的接触电阻随着负载的增加而减小，从而减少了功耗并消除了散热需求（图 1）。

图 1：当低功率电路中的开关闭合使线圈通电，然后使触点闭合时，EMR 将交流负载与电源连接。（图片来源：DigiKey）

EMR 的主要优势在于低成本，以及在任何低于器件介电额定值的施加电压下均能保证隔离。在大功率电路必须完全导通或关断时，不得由于泄漏电流造成用户受伤的危险，此时隔离就显得尤其重要。如果预计 AC 电源中会出现大浪涌电流或尖峰电压，则 EMR 也是不错的选择。

EMR 的主要缺点是潜在的 EMI 和磨损。由于触点打开和闭合时可能会产生电弧，因此继电器会产生明显的 EMI。通常，这种级别很低，设计良好的 EMR 含有屏蔽结构，会减少排放，但是在靠近 EMI 敏感型设备的区域中使用时仍需要注意。

因为 EMR 是机械设备，所以即使是设计和制造最好的产品也会最终出现磨损。大多数情况下，首先出现故障的是线圈并且由于触点常开 (NO)，所以会导致器件处于故障安全状态，从而使低功率电路与高功率电路隔离。也就是说，现代 EMR 非常可靠，且通常情况下通过继电器供电的设备会先出现磨损。

随着用于切换大功率应用的控制电路升级至数字电子设备，SSR 逐渐有了用武之地。顾名思义，SSR 是基于半导体的设备，因此非常适合通过基于微控制器的数字电路进行电路监控，尤其适合监控开关速度高的应用。

SSR 克服了 EMR 的主要缺点。因为不含活动部件，所以 SSR 不会发生磨损。这种设备通常执行数千万个操作周期，但是当它们发生故障时，通常处于“接通”位置，这可能会带来安全隐患。SSR 在闭合或断开时不会产生电弧，这不仅使它们适合在危险环境中使用，而且能消除大部分困扰 EMR 的 EMI 源头。SSR 也不会产生机械噪声，可在很宽的输入电压范围内工作，即使在高电压下也能实现低功耗。随着 SSR 的价格越来越低，从 EMR 到 SSR 的转换已经加速。

SSR 的主要缺点来自其作为半导体电路的基础元器件。例如，当“接通”时其电阻很大，从而导致数十瓦的功率耗散并由此产生热量。为克服散热难题，设计人员通常必须为其选择一个坚固耐用的散热器，但这样会增加解决方案的尺寸和重量。此外 SSR 还会受到环境热量的影响，因此，高温下使用时必须降低额定功率。如果内部电路电阻对电源电压的变化敏感，则内部电路电阻也会产生电压降，这可能造成负载问题。在“打开”状态下，SSR 会产生一定的泄漏电流。这是高电压下不希望出现的情况，甚至会造成安全问题。此外，许多 SSR 要求最小负载才能正常运行。

SSR 的基本工作原理

输出开关是 SSR 的关键部分。对于 AC 输出继电器，可以通过双向可控硅或背对背可控硅整流器 (SCR) 来控制其输出。SCR 解决方案的主要优势在于其快速 dv/dt 特性，尤其是在继电器“打开”时。

例如，当一个带三端双向可控硅开关控制输出的 SSR 关闭时，dv/dt 可能慢至 5 到 10 伏/毫秒 (v/ms)。dv/dt 缓慢特性可能会成为问题，因为如果降低电流的 di/dt（和/或重新施加电压的 dv/dt）深度不够，则双向可控硅可能会在 AC 电源穿过零电流/电压点后导通。这种事件会使输出不稳定并能增加 EMI。

相比之下，SCR 的 dv/dt 约为 500 伏/微秒 (v/µs），过零点之后不会导通。带 SCR 的 SSR 的另一个优点是，与单个三端双向可控硅开关器件相比，这些组件分散在更大的范围内，因此散热效果更好。本文的其余部分将介绍具有背对背 SCR 输出级的 SSR。

图 2 显示了使用 SCR 的基本 SSR。AC 输出 SSR 通常采用 AC 线路供电。当 S1（由输入电路控制）闭合时，SCR1 和 SCR2 各自的栅极连接，AC 电源的电流流经 R1 或 R2 并进入任何一个正向偏置的 SCR 栅极。这样，SCR 就会打开，继电器导通，向负载供电。对于 AC 电源的每个半个周期，SCR 会交替导通，向负载提供电流。当 S1 打开时，无论哪个 SCR 处于“导通”状态，都将继续导通，直到 SCR 变为“断开”时 AC 电流达到零。此时，另一个 SCR 阻止任何栅极电流流入，继电器断开，并且负载电源切断。

图 2：采用背靠背 SCR 的继电器的基本布局。S1 由低功率输入电路形成。（图片来源：Sensata-Crydom）

现代 SSR 通常依靠光耦合器将低功率和高功率电路隔离。对于设计人员来说有两个关键选择：使用基于 LED/光电晶体管的光耦合器或结合了 LED 和光电隔离开关的器件。光电晶体管所需的控制电流较少且节省空间，也确实为设计人员带来了更多配置控制电路特性的机会。三端双向可控硅开关方法的主要优点是其成本较低。图 3 所示为由光电隔离开关控制的继电器原理图。

图3：在该 SSR 中，低功率和高功率电路之间通过基于光电隔离开关的光电耦合器实现隔离。（图片来源：Sensata-Crydom）（图片来源：Sensata-Crydom）

（关于如何选择 SSR 的更多信息，请参见 DigiKey 技术文章《如何使用 SSR 安全有效地切换电流或电压》。）

用于低 EMI 环境的 SSR

对于 EMI 敏感性应用，具有 SCR 控制输出的 SSR 将是一个不错的选择，因为这些器件的固有噪声低。对 EMI 特别敏感的应用，如要求使用符合 IEC 60947-4-3 标准的开关产品的一类应用，更应选择超低噪声产品。对于这些应用而言，仅在 AC 电压超过零电压点时（无论输入何时激活）才打开 SSR 是非常不错的选择。

这些所谓的过零器件能在 AC 输出处于中间周期的同时，消除接通大功率电路时可能产生的浪涌电流和电压尖峰。这样会降低 EMI 的发生率。设计人员应注意，尽管过零 SSR 特别适合于阻性负载（例如加热器），但却不适合高感性负载。对于此类应用，更好的选择是所谓的随机开关式 SSR。这些器件会在输入开关被激活时立即执行开关动作，而不是等待 AC 电源达到零。

提供 Sensata-Crydom 品牌 SSR 的 Sensata Technologies 最近为其 LN 系列 AC 输出低噪声范围 SSR 新推三种产品。LND4425 可向输出提供 25 安培 (A) 电流，LND4450 提供 50 A，LND4475 提供 75 A。这种器件需要最小 100 毫安 _rms (mA_rms) 负载电流即可稳定运行，其外形只有“冰球”大小且重约 75 克 (g)（图 4）。所有这三种解决方案均提供 48 - 528 V 交流输出，采用 4.8 - 32 V DC 控制电压。这些器件内置输入/输出过压保护，从输入到输出的介电强度为 3500 V_rms。

图 4：Sensata-Crydom 的 LND44xx SSR 是重量仅为 75 g 的紧凑型解决方案，最高提供 75 A 电流和 528 V 电压。（图片来源：Sensata-Crydom）

LN 系列工作时具有最低 EMI。该系列通过输入端带有光电隔离开关的光耦合器和背对背 SCR 进行输出控制，以克服由于 dv/dt 缓慢产生的潜在 EMI。背靠背 SCR 的 dv/dt 为 500 V/µs。该产品还具有获得专利的触发电路，可实现 EMI 最小的阻式负载切换。LN 系列 SSR 的原理图如图 5 所示。

图 5：Sensata-Crydom 的 LN 系列 SSR 旨在通过获得专利的触发电路和背对背 SCR 功能将 EMI 降至最低。（图片来源：Sensata-Crydom）

有了这些 EMI 减缓功能，器件将最终符合 IEC60947-4-3 环境 B 标准关于低压家庭、商业和轻工业场所的规定（图 6）。

图 6：Sensata-Crydom LND4450 SSR 的射频辐射测试。如图所示，符合 IEC60947-4-3 环境 B 标准的阈值为橙色实线。（图片来源：Sensata-Crydom）（图片来源：Sensata-Crydom）

LN 系列特别适合诸如商用烤箱加热器等应用，如图 7 所示。

图 7：商用烤箱中使用的继电器应符合 IEC60947-4-3 环境 B 规范。在该图中，继电器位置用数字标记，数字“ 1”表示 LND44xx SSR 的安装位置选择正确。（图片来源：Sensata-Crydom）（图片来源：Sensata-Crydom）

结语

继电器是使用低功率激活电路切换高功率电路的简单且成熟的解决方案。在需要低成本解决方案的情况下，EMR 将是很好的选择，但不适用于高频开关应用和 EMI 敏感区域。SSR 成本高，但实现了工作稳定，无磨损，而且尤其兼容通过数字电子器件进行控制。然而与 EMR 相比，设计人员应意识到选择 SSR 时会在同类应用产生较大的散热，这是更高棘手的难题。

尽管所有类型的 SSR 都具有比 EMR 更低的EMI，但某些设计仍难以满足 EMC 法规要求，例如 IEC60947-4-3 环境 B 规范的规定。如图所示，该解决方案是将 SSR 与背对背 SCR 输出级一起使用。这些器件提供过零开关，因此只发生超低射频辐射，从而更容易满足法规要求。