工程师在选择固态继电器时应考虑哪些常见设计参数？

大多数工厂中固态继电器 (SSR) 的问题往往源于设计参数选择不当。选择固态继电器时需要考虑的四个重要设计参数分别是：热管理、开关类型选择、额定电流解读和过压保护。本文将深入介绍这四个设计参数，并解释 Littelfuse 的 SSR 产品及其变体如何以最佳方式帮助实现这些参数。文章最后将展示 Littelfuse 的 SSR 在测试中表现出的出色耐久性。

用于不同负载应用的 SSR 开关类型

加热系统有时会产生意想不到的电磁干扰，导致合规性测试失败。电机控制应用有时响应时间较慢。这两个问题通常都有同一简单原因，就是工程师为其应用选错了 SSR 开关类型。

不同类型的电力负载需要不同的开关方式。当电流从零开始平稳流动时，阻性负载（如加热元件）的工作状态最佳。这种方法可防止电压瞬变和电磁噪声。

电机等感性负载则不同。无论交流波形的位置如何，电机都需要迅速进行开关响应。这是由于电机中电流与电压之间存在固有相位关系，这是感性电路特性之一。

这些不同负载的电气特性产生了完全不同的开关要求。用错开关类型会导致工程师在系统中遇到问题。图 1 展示了分别适合阻性负载和感性负载的过零导通和随机导通现象。

图 1：电压波形显示不同开关模式的导通时间（绿色区域）。过零开关可最大限度地减少瞬态，而瞬时开关则可为时间关键型应用提供即时响应。（图片来源：Littelfuse）

这种不匹配造成了多种问题。瞬态电压会损坏敏感的电子设备，而电磁干扰则会因合规性问题而导致昂贵的重新设计费用。设备寿命大大缩短，使系统性能难以预测。

大多数 SSR 制造商都没有帮助解决这个问题。它们提供通用的开关选择，却很少提供应用指导。这意味着工程师必须自行解决复杂的负载兼容性问题。最终，他们采用试错法来寻找有效的方法。这既延误了项目，又增加了成本。

Littelfuse 采用 IXYS 半导体和直接键合技术，提供专门针对负载特性设计的应用匹配开关技术。像 SRP1-CBAZH-050NW-N 和 SRP1-CRAZH-050TC-N 这样的过零开关型号可在交流电压过零时准确切换，从而消除电瞬变。这些型号非常适合在 600 VAC 电压下控制功率最高 24 kW 的加热系统，同时将电磁干扰降至最低。

图 2：从左到右依次为 Littelfuse 的 SRP1-CR、SRP1-CB 和 SRP1-CB...F SSR。（图片来源：Littelfuse）

对于需要立即响应的电机和电感应用，包括 SRP1-CBARH-050NW-N 和 SRP1-CRARH-050TC-N 在内的瞬时开关型号可在收到控制信号后立即启动。它们可处理大功率工业自动化中具有挑战性的电机启动特性。这种针对具体应用的工程设计方法可确保从初始安装开始就具有可靠的性能。图 2 显示了 Littelfuse SSR 的不同变体。

现行评级准则和安全边际

为什么工程师总是按照制造商的规格书确定 SSR 的尺寸呢？因为实验室规格与实际运行条件之间存在脱节。

额定电流初看起来很简单。但后来，工程师们发现了问题。加热元件在冷启动时的电流为额定电流的 1.4 倍，环境温度可能超过 +40°C 的额定值。在这种情况下，需要大幅降额。此外，电线尺寸不当也会进一步降低载流量。这些因素造成了复杂的规格环境。元件尺寸不足会导致过早失效。尺寸过大既浪费钱又浪费面板空间。

大多数 SSR 供应商提供的基本额定电流极少涉及应用背景，从而加剧了这一问题的程度。工程师在收到规格书数字时，并不了解运行假设、安全边际或实际降额系数。这种挑战迫使人们通过成本高昂的试错方法来进行参数解读，从而延误了项目，并经常导致组件故障，而如果从一开始就提供适当的指导，这些故障是可以避免的。

图 3：Littelfuse 的 SSR 设计指南显示加热应用的降额系数为 20%。功率值代表标准交流电压下各 SSR 额定功率的最大安全加热器瓦数。（图片来源：Littelfuse）

Littelfuse 通过明确的规格提供了详细的额定电流指导（图 3），从而消除了臆测。

• 10 A 型号（如 SRP1-CRAZL-010TC-N）可安全处理 8 A 加热器电流，可用于 960 W 到 4.8 kW 的应用，同时为电气环境提供集成瞬态电压抑制器 (TVS) 保护。
• 25 A 版本（如 SRP1-CBAZL-025NW-N）可管理 20 A 负载，支持 2.4 kW 至 12.0 kW 的系统，具有过零开关功能，适用于加热应用。
• 50 A 型号可控制 40 A 应用，为 4.8 kW 至 24.0 kW 的设备供电。

每种规格都包含 75-80% 的保守利用系数和详细的温度降额数据，这表明智能热和电气应力管理可延长使用寿命。

防止电压尖峰和电瞬变

电瞬变在工业环境中经常发生。这些情况包括通过电力线的雷击电涌和电机开关操作过程中产生的反向电磁场。公用电网干扰也会产生超过 1200 V 的电压尖峰。尽管每个事件只持续几微秒，但它可能会损坏 SSR 和与之相连的其他设备。随着时间的推移，许多较小瞬态的累积损害会导致零件损坏，最终造成停产。

传统方法需要采用外部浪涌保护装置，因此需要额外的面板空间、复杂的布线以及多个保护级别之间的精心协调。许多 SSR 供应商提供的基本装置没有集成保护功能，迫使工程师自己设计单独的浪涌抑制系统。但是，外部保护器会通过额外的连接引入故障点，而且由于寄生电感和响应延迟，可能无法快速响应。

图 4：显示用于双向交流开关的光耦合器隔离、触发定时控制（过零或瞬时）和反并联晶闸管输出配置的内部功能块。（图片来源：Littelfuse）

Littelfuse 通过 SRP1-CR 系列提供集成保护，在 SSR 外壳中直接安装了 SMBJ 系列 TVS 二极管。图 4 展示了内部功能模块，显示了光耦合器隔离和触发定时控制，可实现这种集成保护方法。这种元器件级保护可在纳秒级时间内做出反应，在发生损坏之前将电压尖峰箝位在 900-1200 V_PK 之间。

像用于加热系统的 SRP1-CRAZH-050TC-N 和用于电机控制的 SRP1-CRARH-050TC-N 型号均提供内置过压保护功能，并针对其特定应用进行了优化。这些产品非常适合在电气环境恶劣的变频驱动器环境中使用，因为在这种环境中，反电动势瞬变是常见的威胁。

集成式设计消除了外部元件，同时能在电路需要的位置提供准确的保护。与无保护的替代方案相比，这种方法的可靠性更高，可提供全面的瞬态电气保护。

散热和温度控制解决方案

大多数工程师关注的是电气规格，而热设计则决定了固态继电器的实际使用寿命。运行期间产生的热量似乎可以控制，直到结点温度超过安全限值。半导体衰减悄然开始，导致性能不稳定。

挑战始于细微之处，大多数应用的工作温度都高于 +40°C 的标准额定温度，这就要求电流降额，而规格中虽提到但并未强调这一点。此外，由于散热膏涂抹混乱、散热器尺寸不足和环境气流不畅，也会导致热界面不一致。看似简单的热管理任务变成了复杂的工程挑战，对成本产生了重大影响。

Littelfuse 通过 SRP1 系列提供集成热管理方案，将热控制的方方面面汇集成一个完整的解决方案。预装导热垫消除了安装上的各种变数，同时确保了热传递稳定，而无需使用杂乱的化合物。与标准元件相比，IXYS 半导体技术和直接键合技术可实现更好的散热特性。通过详细的热降额曲线，可针对任何工作条件精确选择散热器。

图 5：基于环境温度和散热器热阻 (°C/W) 的负载电流限制。对于防止高温工业应用中的热故障至关重要。（图片来源：Littelfuse）

图 5 显示了不同散热情况下负载电流与环境温度的关系曲线。50 A 型号，如 SRP1-CBAZH-050NW-N 和 SRP1-CRAZH-050TC-N，通过适当的 0.7°C/W 散热，可在 +50°C 温度下保持完全的载流量。在 +40°C 环境温度下，1.5°C/W 散热仍可提供 35 A 电流。因此，它们非常适合在高温工业环境中用于控制加热器等应用。

测试结果和性能验证数据

独立的比较测试验证了 Littelfuse 声明的性能。在 2 倍额定电流下进行相同的 75 万次耐久性测试时，Littelfuse SRP1 系列的性能明显优于三大竞争对手（图 6）。Littelfuse 的器件完成了整个测试周期，而竞争对手则分别在 20 万、13 万和 6 万次时出现了故障。竞争对手 3 经历了灾难性的半导体爆炸，带来了安全风险。

图 6：耐久性测试后 SSR 内部损坏的直观对比，展示了顶盖已拆除形状和详细故障模式。（图片来源：Littelfuse）

故障后分析显示，竞争对手的设备出现了热疲劳损坏，这证明了 Littelfuse 的 IXYS 半导体技术、直接键合技术和热管理的有效性。这一实际验证证明，Littelfuse 的集成式四管齐下的方法可显著提高可靠性。这使得 SRP1 系列成为关键工业应用的不二之选，同时符合 cЯUus、CE 和 RoHS 合规性标准。

结语

Littelfuse SRP1 系列 SSR 解决了导致工业 SSR 故障的四大工程难题。与应用相匹配的开关类型可消除电磁干扰，保守的安全边际可防止尺寸过小造成的故障。集成的过压保护功能可处理电瞬变，先进的热管理功能可延长使用寿命。实际测试验证了其卓越的性能，无故障开关次数达到 750,000 次，而竞争对手的仅为 200,000 次或更少。这种工程设计方法确保了其从安装到多年苛刻的工业服务期间的可靠运行。