使用SSR实现更高可靠性的隔离和更小的解决方案

李涛

2022-11-3 08:31:27 495 SSR 继电器

在发明晶体管之前，继电器一直被用作开关。从低压信号安全地控制高压系统（如隔离电阻监测中的情况）的能力是开发许多汽车系统所必需的。尽管机电式继电器和接触器技术多年来有所改进，但对于设计人员来说，要实现其寿命可靠性和快速开关速度以及低噪声、冲击振动和功耗目标，仍然具有挑战性。

电容式和电感式隔离固态继电器 (SSR) 具有性能和成本优势，并且适合不同级别的隔离（无论是基础型还是增强型）。与机电继电器和固态光继电器等替代技术相比，SSR 也具有优势。

传统继电器开关解决方案

机电继电器 (EMR) 在高压开关应用中很常见。EMR使用电磁力来机械地打开和关闭触点。鉴于其机械特性，EMR具有极低的导通电阻。它们的触点本质上是金属对金属的连接。

在开关速度和可靠性方面，EMR确实需要权衡取舍。继电器内部的活动器件是一个限制因素，开关速度通常在5ms到15ms范围内。随着时间的推移和使用，EMR可能会出现诸如拱起、颤动和焊接闭合等故障。

与EMR不同，光继电器没有活动器件，并可提供高隔离电压。光继电器是对传统 EMR 的改进；但是，它们也有设计注意事项，例如对可实现的功率传输的限制以及内部LED的老化。此外，光继电器需要外部限流电阻器，并且通常使用额外的场效应晶体管 (FET) 来管理LED的开或关状态。

SSR中的电容式和电感式隔离

ti的隔离式SSR可用作开关（带有集成FET）或用于控制外部FET的驱动器。无论是利用电容隔离还是磁隔离，TI的隔离式SSR产品系列都可以实现具有基础型或增强型隔离级别的设计。与EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔离式开关和TPSI3050-Q1隔离式驱动器具有更高的可靠性和更长的使用寿命，因为它们不会随着时间的推移而出现机械性能变差的情况。因此，SSR的寿命可靠性是传统EMR的10倍。TI的SSR还可以在几微秒内进行切换，比EMR快几个数量级。

由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通过单个隔离栅集成了电源和信号传输，因此无需二次偏置电源，从而可以实现减小解决方案尺寸。图1说明了在高压系统中使用TPSI2140-Q1隔离开关，消除了偏置电源和外部控制电路等外部元件。

图 1：TPSI2140-Q1 隔离式开关减小了高压系统中的解决方案尺寸

与传统光继电器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有优势。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性优于光继电器，因为不存在LED老化情况。无需外部控制电路，因为逻辑电平输入可以直接驱动系统。表1定性地比较了这些隔离开关技术。

	机电继电器	光继电器	具有电容式和电感式隔离的 TI SSR
绝缘材料	空气或环氧树脂	环氧树脂或聚酰亚胺	聚酰亚胺或二氧化硅
介电强度 (1s)	≅1VRMS/µm ≅20VRMS/µm	≅20VRMS/µm ≅300VRMS/µm	≅300VRMS/µm ≅500VRMS/µm
优势	低电阻	低电磁干扰 (EMI)辐射	高速 (µs) 低功耗
劣势	低速 (ms) 机械磨损、振动/磁抗扰度	光化降级和局部放电	必须设计为限制 EMI
工作环境温度	-40°C 至 85°C	-40°C 至 85°C	-40°C 至 125°C