Crydom 固态继电器" alt="Crydom 固态继电器" width="436" height="261"/>

固态继电器的输出电路只不过是开关负载电流的一个元件；我们仍然以开关时的信号来定义固态继电器–交流或直流。由于考虑到价格原因，现在所采用的技术中，交流和直流的开关不能同时用在同类型的固态继电器上，同时会产生电磁不兼容的问题。 同样，由于散热和价格原因，电子元件结构也不允许同时有多个输出，同时也会产生电磁不兼容的问题。

n  直流输出（直流固态继电器）

根据具体的需求，直流输出固态继电器的电器元件采用一个双向晶体管或FET晶体管（场效应晶体管）。为了获得快速响应时间，并且输出电流不大（＜＝10安培）， 双向晶体管是直流固态继电器开关元件的理想选择。FET 晶体管一般用在要求有非常低的漏电电流低（＜10微安），负载电流大（30 到40安培）但温度升高并不多的应用场合。

直流输出固态继电器的输出元件可以采用2线制或3线制输出。2线制输出主要用于输出电流小于10安培并处采用模块式封装外壳的固态继电器，3线输出一般应用于I/O模块。在2线制输出电路中，负载可以串联于固态继电器的任何一个端子上，只要电源电压的极性符合要求。

当输出元件是双向晶体管时，2线连接方式可以防止晶体管完全饱和，这样使得固态继电器输出两端接通时的压降保持在1.2-1.5VDC。这在大多数应用场合是可以接受的，特别是负载电源电压比较高时（＞24VDC）。

当输出端的工作电压较低时，例如在数字接口系统中，一个1.5VDC的残余电压就显得太高了；在这种情况下得用3线制方式，使得输出晶体管全饱和时，残余电压只有0.2-0.3VDC。I/O模块通常被应用于两个低压数字系统或组件之间，用作隔离接口，因此通常有3线输出的PNP 或NPN模式。

当固态继电器接通时，场效应晶体管相当于一个小电阻（50到80毫瓦）。根据欧姆定律，由于固态继电器输出端的压降取决于通过的电流大小，例如通过20A的电流，固态继电器量大电压降约为1.2-1.5VDC。

n  交流输出（交流固态继电器）

在交流固态继电器中， 开关元件根据需求，由可控硅组SCR或可控硅TRIAC组成。对于高额定输出电流（＞50安培）或者高峰值电压（1200到1500伏特）的交流固态继电器，一般选用两个SCR可控硅组背靠背安装，而不选用单个双向可控硅TRIAC。单个双向可控硅TRIAC输出型固态继电器则更适用于要求经济便宜，对电流或dv/dt(电压变化率)性能要求不高的场合。

n  可控硅SCR

在交流固态继电器中，通常采用可控硅SCR做开关元件，因为它SCR具有通断几千安培的电流，同时使固态继电器输出端的电压限制在一个比较低的电压（最高不超过2VAC），并且它还能承受10-12倍额定电流的非重复峰值电流。另外，可控硅SCR也能承受高达几千伏的反向峰值电压。

可控硅SCR相当于一个单向二极管，当控制输入端无效时，它能阻止两个方向的电流。在门极施加一个短的脉冲或者所加电压超过翻转电压VB0，可控硅SCR就可以导通（从阳极到阴极）。同时，只有在电压翻转或者通过的电流减少到低于最小维持电流IH并持续很短的一段时间（约15us）。

可控硅SCR可以看成是将两个晶体管装在一起，集成到同一个硅芯片上，使它们之间产正向逆反馈。当V1的基极或门极施加一脉冲信号后，V1开始导通，在晶体管V2的基极产生一电流，使得流过V2集电极（V1基极）的电流增大，使得V1进一步饱和（正向逆反馈）。进一步，可控硅SCR就不再受其输入端控制。

可控硅SCR相当于一个开关二极管，但作为一个单向元件它有许多弊端。为了克服其弊端，使其能在电源正、负半波都能工作，通常在固态继电器中采用两个SCRs反向并联（背靠背安装）。

n  可控硅Triac

随着半导体技术发展，可以非常经济方便地将两个同等的反向可控硅SCRs合成在同一芯片上，受控于同一个输入端：这样可控硅Triac就诞生了。然而可控硅Triac很大程度上受限于电流（最大电流=40/50安培），电压（最大=800伏）和最大的dv/dt特性。最大的dv/dt值被认为是最重要的参数，dv/dt参数可以通过增加滤波器来改善，滤波器也集成到可控硅Triac内部。通常不带滤波器的双向控硅Triacs被称为“无吸收”可控硅。

电源通断还有其他解决方案，如交变可控硅（2个背靠背安装可控硅组SCRs受控于一个双向可控硅Triac）；它的动作类似于两个背靠背安装的SCRs。

功率元件的主要受限因素

可控硅SCRs和Triacs，以及其他开关元件，通常适用于快速通断大电流的场合。除了考虑一般的最大电流、电压等的限制外，还要考虑其他一些具体的限制因素，来优化固态继电器的性能和避免故障。

n  静态dv/dt 限制

可控硅组SCRs和Triacs这些器件迷人特性（大电流，高开关速度）源自于它们的正向逆反馈，同时，正向逆反馈也给这些器件带来dv/dt限制。在阳极和阴极之间产生一个瞬时的电压变化，可能会导致SCR不受控地导通。由于阳极和门极之间的电容效应。如果C是杂散电容，电流通过此电容，因而V1（见可控硅SCR原理图）的基极电流可被定义为：

I=C.dv/dt

取决于C和dv/dt值的大小，电流有可能上升到足够高，使得可控硅SCR导通。施加在固态继电器两端的最大电压变化，而不会使固态继电器出现非受控导通的值（静态dv/dt），通常在技术规格书中明确以V/us的方式标识出来。500V/us是可控硅SCR的典型值，而双向可控硅Triac的dv/dt大约是200V/us。通过比较， 230VAC，50Hz的供电，在通过零点时的最大dv/dt值是0.1V/us。

dv/dt值可以通过在内部或外部加RC阻容吸收，得到显著提高。然而RC滤波器的缺点是增大漏电电流。

n  开关动态dv/dt 限制

同样SCR非受控导通现象也会发生在带感性负载，电流过零点时断开电路的情况下。在这种情况下，可控硅SCR在电流过零点时断开，主回路的瞬时电压就会立刻加在可控硅SCR的两端。电流和电压的相位相差越大，则电压的变化越陡峭，同时阳极和门极的电容耦合效应可以使控硅SCR反向导通，引起错误导通故障。引起可控硅triac导通的dv/dt典型值为20V/us。

然而，这种故障非常少见，只发生在接近额定电流时，开关高感性负载的情况下。使用“无吸收”元件也可以减少这种现象。

n  di/dt 限制

由于内部的半导体结构，可控硅组Triacs和SCRs仅有非常有限的能力来吸di/dt电流变化，在半导体的结点处会有因为过热而损坏的危险。固态继电器可承受的最大di/dt值取决于输出元件，其范围从10-200 A/us。

在实际应用中，很难达到这些值。这是由于在电流增加时，所有线路中的杂散电感应（尽管微弱）和电阻阻抗限制了电流的增加率。

n  漏电流

交流固态继电器都是2线制输出元件，跟同类电子元器件一样，存在有漏电流的缺点。取决于所选用的元件不同，一般漏电电流通常在2到10毫安之间。将它们应用到控制系统时务必要考虑到漏电电流可能带来的影响。采用吸收器或外接RC过滤器会进一步增加漏电电流。