固态继电器参考设计：REF_SSR_AC_DC_2A 全方位解析

在电子工程领域，固态继电器（SSR）凭借其无机械触点、响应速度快等优势，在众多应用场景中得到了广泛应用。今天，我们就来深入探讨一下英飞凌的 REF_SSR_AC_DC_2A 固态继电器参考设计。

文件下载：Infineon Technologies SSR参考设计套件.pdf

一、文档概述

这份用户指南主要围绕 REF_SSR_AC_DC_2A 固态继电器参考设计板展开，详细介绍了其使用方法、工作原理、设计要点以及性能评估等内容。此文档主要面向那些考虑将固态继电器与英飞凌器件结合使用的工程师。

不过，在开始使用之前，我们必须明确，这些评估板和参考板仅用于演示和评估目的，并非商业化产品，不能用于可靠性测试或生产。同时，使用时要严格遵守相关的安全注意事项，确保人身和设备安全。

二、安全注意事项

在测试过程中，评估或参考板会连接到电网输入，因此在使用示波器测量电压波形时，必须使用高压差分探头，否则可能导致人身伤害甚至死亡。此外，在进行接线、维护等操作前，务必先断开电网输入电源，避免触电危险。

测试时，评估或参考板的散热片和器件表面可能会发热，操作时需采取必要的防护措施。而且，只有熟悉驱动、电力电子及相关机械的人员才能对系统进行规划、安装、调试和维护。另外，该板包含对静电放电敏感的部件，安装、测试、维护时要采取静电控制措施。

三、SSR 简介

3.1 基本概念

传统的继电器大多是机电式的，包含机械运动部件，而固态继电器则是基于半导体技术的电子开关，通过小的控制信号（通常是低压直流信号）来实现电路的通断，REF_SSR_AC_DC_2A 参考板就没有机械运动部件。

3.2 适用范围

该参考设计适用于在 250 VAC 或 350 VDC 电网电源下切换高达 2 A 标称电流的负载。

3.3 关键特性

• 双向电流阻断能力：采用背对背（B2B）CoolMOS™ 配置，可实现双向电流阻断。
• 可调输入电源电压：方便根据不同的应用需求进行调整。
• 温度保护功能：CoolMOS™ S7T（IPT60T022S7）功率 FET 内置温度传感器，可实现过温保护。
• 电流测量功能：基于分流电阻的通道电流测量，能实时监测电流情况。
• 集成保护功能：固态隔离器（ISSI30R12H）集成了过流（OCD）和过温保护（OVT）功能。
• 过压保护功能：配备外部钳位元件，可实现过压保护（OVP）。

3.4 技术参数

参数	最小值	典型值	最大值	单位
最大开关电压		250		VAC
		350		VDC
标称开关电流		2		A
输入电源电压	2.5	3.3	3.5	VDC
过流限制	27	29	31	A
过温限制	145	150	155	℃
环境工作温度		25	40	℃
污染程度	11
过压类别	11
最大海拔	2000m

四、系统与功能描述

4.1 入门指南

使用继电器时，可参考简单的连接图。除了使用端子连接器块，还可以使用板上的相应焊盘，这样能减小设备的占用空间，但为了便于评估和使用，建议使用连接器块。

4.2 操作方法

该设备操作简单，与市场上的其他开关/继电器类似。当有逻辑电源电压时，SSR 导通；断开逻辑电源输入，SSR 关断。此外，它还具备过流、过温和过压保护等额外功能。

4.3 过流保护

过流保护通过分流电阻进行电流测量，并结合栅极驱动器中的过流比较器关断阈值来实现。典型的比较器关断阈值在栅极驱动器内部设置为 200 mV，使用 7 mΩ 分流电阻时，典型的关断电流为 29 A。过流保护触发后，功率开关会锁存关断，要恢复正常运行，需将电源输入设置为 0 V。

4.4 过温保护

过温保护通过 CoolMOS™ S7T 和 iSSI30R12H 栅极驱动器实现。栅极驱动器可为 S7T MOSFET 的集成温度传感器提供 50 µA 的偏置电流，同时检测典型阈值电压 1.095 V，对应结温约为 150°C。过温保护触发后，同样会锁存关断功率开关，恢复正常运行也需将逻辑电源输入设置为 0 V。

4.5 过压保护

为了防止过压损坏，添加了双向 TVS 二极管作为保护元件。在紧凑布局中，还需要额外的 RC 缓冲器来防止因 TVS 二极管与驱动器栅极输出耦合产生的高频振荡导致设备重新导通。对于较大的电路板，将 TVS 远离栅极驱动器和 MOSFET 有助于过滤 TVS 产生的高频噪声。

4.5.1 TVS 二极管选型

S7T MOSFET 的绝对最大漏源电压为 600 V，保护元件的钳位电压需在所有应力模式下低于该值，同时 TVS 钳位电压要高于最大额定电源电压的峰值。

五、系统设计

5.1 原理图

REF_SSR_AC_DC_2A 的原理图展示了其内部电路的连接方式，为工程师进行电路分析和优化提供了重要依据。

5.2 布局设计

合理的布局设计对于提高系统性能和稳定性至关重要。该参考设计的布局考虑了散热、电磁兼容性等因素，确保了系统的正常运行。

5.3 物料清单

完整的物料清单可在英飞凌网站的下载部分获取。部分物料信息如下：	数量	参考标识	描述	制造商	制造商编号	是否安装
1	C1	CAP SMD CER 4.7nF 50VX7R0603	Multicorp PRO	MCSH18B472K500CT	是
1	C2	CAP SMD CER 68 nF 50VX7R0805	Kemet	C0805C683J5RACTU	是
2	C3,C4	CAP SMD CER 1000 pF 50V X7R 0603	Yageo	CC0402KRX7R9BB102	是
1	C5	CAP SMD CER 1000 pF,630V,50V COG,1206	Murata	GRM31B5C2J102JW01L	是
1	D1	TVD DIODE SMC	LittleFuse	SMCJ350CA	是
1	P1	连接器块	Phoenix	1792892	是
1	R1	RES SMD 2.2 1206	Vishay	CRCW12062R20FKEA	是

5.4 连接器详情

引脚	标签	功能
1	GND	逻辑电源引脚参考
2	Vin	逻辑电源引脚
3	N.C.	未连接
4	AC2	功率输出引脚（AC 或 DC -）
5	AC1	功率输入引脚（AC 或 DC +）

对于交流操作，引脚 AC1 和 AC2 可互换。

六、系统性能评估

6.1 稳态行为

尽管 SSR 演示板配备的是 22 mΩ CoolMOS™ S7T（IPT60T022S7），但也对 40 mΩ 器件（IPT60T040S7）进行了稳态评估。使用红外热像仪和温度传感器，评估了在特定负载下达到稳态后的封装温度，稳定时间约为 1000 秒（16.7 分钟）。不同电流下的稳定温度如下：	DC [A]	SSR with 2xIPT60T022S7 稳定温度 [°C]	SSR with 2xIPT60T040S7 稳定温度 (°C]
2	41	51
3	53	79
5	111	159 s 后过温关断

此外，还可以观察到瞬态关断行为，并提取 I²t 脱扣曲线，该曲线受多种因素影响，不同设备可能会有所不同。

6.2 过流保护性能

通过测试不同短路电流斜率下的过流保护情况，发现即使在 41 A/µs 的陡峭电流斜率下，SSR 也能快速响应，从检测到故障到电流开始下降仅需 140 ns。不同电流斜率下，最大脱扣电流会有所变化。

6.3 过温保护性能

使用恒定直流电流验证过温保护功能，当温度二极管电压下降到设定的关断水平时，SSR 会关断，且设备会保持锁存关断状态，直到将输入设置为 0 V 重启。

七、总结

REF_SSR_AC_DC_2A 固态继电器参考设计为工程师提供了一个优秀的设计范例，其具备多种保护功能和良好的性能表现。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对其进行优化和改进。同时，使用过程中一定要严格遵守安全注意事项，确保设计的可靠性和稳定性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。