固态继电器的电磁兼容测试 电磁兼容, 继电器

Bazinga

1 引言
影响固态继电器(SSR)电磁兼容(EMC)的因素是多方面的，诸如器件的选择与搭配、电路原理、PCB 的布线和结构等等。其中，交流光耦( 光电耦合器) 对EMC 参数的影响常常被忽略。其主要原因是对它们的应用环境和要求了解较少，同时对EMC 的标准，设备的使用和试验方法理解不够。因此当使用性能较差的器件和不合理的结构时，固态继电器的EMC 性能往往达不到国际上的一些标准( 如CE 等) 。
2 固态继电器的EMC 标准
电磁兼容包含电磁辐射(Emission)和电磁抗干扰(Immunity)。对器件来说，欧洲客户不要求做电磁测试( 个别有特殊要求的客户除外) ，通常只要求按EN50082-2 标准即1995V EN61000-6-2 进行测试。但最主要是测试ESD(EN61000-4-2);EFT/B(EN61000-4-4)和SURGE(EN61000-4-5)。在此要说明的是，如果客户要求测试电磁辐射时，应按EN50081-2 标准即2001V EN61000-6-4 进行测试。本文只对SSR 的电磁抗干扰能力进行测试和归纳。我们在多年与欧洲客户交流中，他们提出最多的有如下要求：
(1) 要求EMC 做通用标准的电磁抗干扰能力的测试，即上述的ESD、EFT/B 和 Surge。其电压等级分别为4kV的接触放电和8kV 的空气放电、1kV/5kHz 快速群脉冲扰动和2 k V 浪涌冲击，其它不做要求;
(2) 要求EMC 做通用标准的电磁抗干扰能力达到等级3 的测试，即ESD 和Surge 同上，而EFT/B 要求达到3kV/5kHz;
(3) 特殊要求:ESD 要求6kV/10kV 和EFT/B 为4kV
(4) 其他要求:除电磁抗干扰(Immunity)外，还要求电磁辐射(Emission)测试。
3、影响固态继电器EMC 的主要因素
为了找出影响固态继电器EMC 的主要因素和组合的器件，必须了解组成S S R 的电路原理。我们综合了国内外S S R 方面的主要生产商的电路，得到如下几种常见的采用交流光耦方案的电路结构。把这些不同的电路结构和相同的电路结构而采用不同的器件组合来进行测试，发现不同的EMC 性能。
3.1 电路原理
图1、图2 和图3 三种电路都能实现固态继电器的功能。图1 是固态继电器最简单的电路原理图，图中A1 是交流光耦，A 2 是双向可控硅。常用在小型的S S R ，使用时，用户往往在外面增加器件来改善性能。图2 是在图1 的基础上增加了RC 吸收电路和防冲击电阻R2 。R 2是保护光耦，抑制在导通瞬间流过光耦的冲击电流。附加这些器件后，大大改善了SSR 的EMC 特性和浪涌对光耦的冲击性能。因此该电路常用在可靠性较高的场合。图3 是一种特殊的电路，常用在高可靠性和E M C 等级较高的SSR 设计中。图中的二极管D1 可防止输入反极性。由Q1、Q2、R1 及R3 组成恒流电路，保证当输入电压变化时，光耦A 1 的电流恒定。R C 电路C 1 、R 7 和R 6 的功能与图2 的相同。该电路还增加了压敏电阻R V 。R V不仅加强了S S R 的过压保护能力，而且大大改善了其E M C 性能。


按上述三种不同的电路和不同的结构进行如下试验：

3.2 试验

采用不同的样品(见下)进行以下两种试验:群脉冲试验(见表1)和浪涌试验(见表2)。

试验条件为如下：
A. 输入电压:0V 或标称值。负载:40W 灯泡；
B. 《2kV 时，Burst 测试频率:5kHz;》2kV 时，Burst 测试频率:2.5kHz。
C. 样品: N0. 1、N0.2 和N0.3 的结构不相同，PCB相同；N0.4 和N0.5 的光耦不相同，其它相同。( 见表1 中的“产品／元件型号”)
D ．测试结果见表1 。
a. 表中“1 ”表示通过，“0 ”表示不通过。判定标准：“1 ”: 灯泡不闪；“0 ”:：灯泡闪烁。
b.表中L：火线；N：零线。
试验不难看出：
(1)对比A 公司产品两个继电器，其电路结构、元器件参数完全相同，仅仅前者多了一个散热片，但其burst测试只能达到2kV，而第2 个的burst 测试可以达到4kV。由此可知，产品内部结构的变化会影响到E M C 性能;
(2)RC 会很大程度的影响固体继电器的EMC 性能;不加R C 电路的结构，E M C 性能最差，见B 公司产品;
(3) 采用不同的光耦，其EMC 性能会有很大的变化，见N0.4 与N0.5 的试验结果;
(4) 不同的光耦和不同的可控硅组合对EMC 性能也有较大影响;
(5) 选择适当的RC 组合，也可提高Burst 和Surge抗扰能力。当R C 中C 值一定时，固态继电器对B u r s t的抗扰能力与R 值成反相关关系，但当R 小到一定的值时，这种关系就不再明显;
(6) 增加RV 压敏电阻可大大增强Surge 的抗扰能力。
4 测试方法及注意事项
为了正确获得试验数据必须按要求正确设计测试回路，和正确的连线。然后设定方法和步骤，最后按判定标准获取数据。
4.1 测试电路

图4 所示为测试电路。对SSR 来说，有信号源(稳压电源)、小于1 米的连线、负载及有关仪器;图5 为电源信号叠加干扰信号的波形。

4.2 试验标准及要求及判定要求
表3 为EMC 的抗干扰标准：EN61000-4-4、EN61000-4-5 和EN61000-4-2 的试验标准及要求。对SSR 来说，其工作状态要求样品处于正常关断和接通状态加入干扰源，观察样品是否失效。
5 试验结论
(1) 产品内部结构的变化直接影响到EMC 性能。如：PCB 或DCB 的排版设计，通常需要通过几次调整，如改变输入输出之间的走线位置、元件的摆放位置等，才能达到最佳状态；
(2) 所有测试的光耦中，VISHAY 光耦的性能比较突出，其多数光耦的Burst 测试可以达到4kV。其它厂家的光耦较少能达到4kV(关于这一点，主要取决于光耦内部的结构)；
(3) 压敏电阻RV 对Burst 性能影响不明显，而对Surge 性能影响极大;因此在有较大浪涌电压冲击的场合，应加上R V 。R V 的大小要视可控硅的阻断电压高低来决定；
(4) 从试验数据可以看出，在耐电脉冲群冲击方面，光耦对继电器的影响较大(见结论的第2 点)，不同的光耦其耐冲击性能不一样;而在耐Surge 时，可控硅对继电器的影响最大(较差的可控硅如dv/dt 太低等，将被击穿)；
(5) 对于不同的组合，将有不同的EMC 能力。如果用EMC 较好的光耦配较差的可控硅，将造成较差的E M C抗扰能力。反之可得出同样结果；
(6) 不带RC 时，绝大多数的光耦的抵抗群脉冲的能力都低于500V;基本上无法达到CE 的标准。为此，设计人员必须改变电路结构和元件参数，方可满足客户的要求和C E 标准。实际应用证明，电容C 的介质损耗角和其温度特性对吸收电路影响较大。电阻R 除它的功率和热稳定参数外，它的阻值对E M C 的性能影响也较大。通常C选用10 — 22nf，而R 通常用10 — 100 欧姆；
(7)光耦阻断电压的高低与它的抵抗群脉冲的能力的强弱没有必然的联系。但可控硅阻断电压的高低与抵抗浪涌电压的能力的强弱有较大关系。
6 存在的问题
由于光耦耐脉冲冲击的电性能不一，S S R 继电器接入电机正反转线路，以及干扰电压的存在( 可用示波器观看) ，S S R 会误导通，以至烧毁。过零的继电器也同样如此。理论上干扰电压是反电势和负载电压之和的根号2 倍，但实际上干扰电压可达到负载电压的3-5 倍，有时达到10 倍。原因是电路的分布参数产生了LC 并联谐振。虽然谐振电压的能量较小，高峰时持续的时间只有微秒级，但会使SSR 误导通，即光耦失效。因此，尚待进一步探讨。