特殊な低ノイズソリッドステートリレーでEMIを制限し重要な規格を満たす方法
著者 Steven Keeping 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2020-11-10
マルツ掲載日：2021-03-15
30年以上前に導入されて以来、ソリッドステートリレー(SSR)は、超信頼性、アークフリー、低電力動作を必要とするスイッチングアプリケーションにおいて電磁リレー(EMR)に取って代わってきました。SSRのさらなる利点として、ノイズのない動作とデジタル制御回路との互換性があります。
しかし、要求の厳しい家庭用、商用、医療用アプリケーションでは、特にIEC 60947-4-3のような電磁両立性(EMC)の国際規格への準拠が求められるアプリケーションでは、リレーによって発生する電磁妨害(EMI)を最小限に抑えるために、リレーを慎重に選択する必要があります。製品によっては電圧スパイクが発生し、EMC規格への適合性が損なわれる危険性があります。
この記事では、SSRの長所と短所、SSRが最も適しているアプリケーションについて説明します。次に、厄介な電磁放射を引き起こす可能性のあるリレーの主要な部分を考察してから、EMIの影響を受けやすい商用、家庭用、医療用アプリケーションで設計者が使用できるSensata Technologiesの各種低ノイズSSRを紹介します。
EMR対SSR
スイッチは閉じた状態では全回路電流にさらされるため、高電力回路のオン/オフに使用することは現実的ではありません。スイッチは動作中に危険なアークを発生し、動作中に過熱します。解決策としては、従来のスイッチを使用して、高電力回路をトリガするために、低電力回路をオン/オフすることが考えられます。
この配置の利点としては、高電力回路に必要な厚い配線の長さを減らすことによるコスト削減、省スペース化が挙げられます。これらの利点は、リレーを負荷の近くに配置でき、より細いワイヤを使用して低電力スイッチに接続できることによるものです。
そのスイッチは通常、ユーザーにとってより便利な位置に配置されます。また、低電力回路は高電力回路からガルバニック絶縁することができます。リレーが採用される例としては、商用オーブン、家庭用電化製品、医療機器が挙げられます。
従来のEMRは、低電力回路によって通電されたコイルを使用して磁界を発生させ、その後、磁界が(ノーマリオープン)接点を閉じます。EMRは、ACまたはDC負荷を最大定格まで切り替えることができます。負荷が増加すると接触抵抗が減少し、消費電力が減少し、ヒートシンクの必要性がなくなります(図1)。
図1：低電力回路のスイッチが閉じているとき、低電力回路はコイルに通電します。その後、EMRのコイルは接点を閉じ、AC電源を負荷に接続します。(画像提供：Digi-Key Electronics)
EMRの主な利点は、低コストであることと、デバイスの誘電体定格を下回る印加電圧で絶縁が保証されていることです。絶縁は、高電力回路を完全にオンまたはオフにして、リーク電流によるユーザーの怪我の危険性がないようにする必要がある場合に特に重要です。EMRは、AC電源に大きなサージ電流またはスパイク電圧が予想される場合にも優れたオプションです。
EMRの主な短所は、EMIと摩耗の可能性です。接点の開閉時にアークが発生する可能性があるため、リレーはかなりのEMIを発生させる可能性があります。一般的に、そのレベルは低く、よく設計されたEMRにはシールドが組み込まれているため、放射を軽減することができますが、EMIの影響を受けやすい機器に近い場所で使用されるアプリケーションでは注意が必要です。
EMRは機械的なデバイスであるため、どんなに優れた設計/製造の製品であっても、最終的には摩耗してしまいます。ほとんどの場合、最初に故障するのはコイルであり、接点がノーマリオープン(NO)であるためEMRがフェイルセーフ状態のままとなります。
その結果、低電力回路は高電力回路から絶縁されたままになります。とは言っても、最新のEMRは非常に信頼性が高く、多くの場合はリレーから電力を供給されている機器が最初に摩耗します。
SSRは、高電力アプリケーションのスイッチングに使用される制御回路がデジタルエレクトロニクスに移行したことにより、真価を発揮するようになりました。SSRはその名の通り半導体ベースのデバイスであるため、マイクロコントローラベースのデジタル回路による監視に適しており、特にスイッチング速度が速いアプリケーションに適しています。
SSRはEMRの主な短所に対応しています。可動部品がないため、SSRは摩耗しません。SSRは一般的に数千万回のサイクルで動作しますが、故障した場合は通常「オン」の位置にあるため、安全性に影響を及ぼす可能性があります。
SSRは開閉時にアークを発生しないため、危険な環境での使用に適しているだけでなく、EMRに悪影響を及ぼす可能性のあるEMIの原因の多くを排除することができます。また、機械的に静かで、幅広い入力電圧範囲で機能し、高電圧でも消費電力が少ないのも特徴です。EMRからSSRへの移行は、後者の価格が下がり続ける中で加速しています。
SSRの主な短所は、半導体回路であるという事実に基づいています。たとえば、「オン」の場合、かなりの抵抗があり、数十ワットの消費電力が発生し、その結果、熱が蓄積されます。通常、熱的な課題は、設計者が適切なヒートシンクを含む必要があり、結果としてソリューションのサイズと重量を増加させることです。
また、SSRは周囲の熱の影響を受けるため、高温で使用する場合はディレーティングを行う必要があります。また、内部回路抵抗は電圧降下を発生させ、電源電圧の変化に敏感な場合、負荷に問題を引き起こす可能性があります。「オフ」状態では、SSRはいくらかのリーク電流を示します。高電圧では、これは望ましくないか、あるいは安全上の問題となることもあります。また、多くのSSRでは、適切に動作するために負荷を最小限に抑える必要があります。
SSR動作の基礎
出力スイッチはSSRの重要な部分です。AC出力リレーの場合、出力はトライアックやバックツーバックのシリコン制御整流器(SCR)で制御することができます。SCRソリューションの主な利点は、特にリレーを「オフ」にした場合の高速dv/dt特性です。
たとえば、トライアックが出力を制御するSSRがオフになると、dv/dtは5～10V/msと遅くなる場合があります。この遅いdv/dt特性は、減少する電流のdi/dt(および/または再印加電圧のdv/dt)が浅すぎると、AC電源がゼロ電流/電圧ポイントを越えた後にトライアックが導通する可能性があるため、問題となる可能性があります。このような事象は出力を不安定にし、EMIを増加させる可能性があります。
それに比べて、SCRのdv/dtは約500V/μsで、ゼロクロスポイント以降は導通しません。SCRを搭載したSSRのもう1つの利点は、単一のトライアックよりもコンポーネントが広範囲に広がるため、放熱性が良いことです。この記事の後半部分では、バックツーバックのSCR出力段を備えたSSRについて説明します。
図2は、SCRを用いた基本的なSSRを示しています。AC出力SSRは通常、ACラインから電力を供給されます。S1(入力回路によって制御されます)が閉じているとき、SCR1とSCR2のそれぞれのゲートが接続され、AC電源からの電流がR1またはR2のいずれかを通って、順方向にバイアスされているSCRのゲートに流れます。
これによりSCRが「オン」になり、リレーが導通して負荷に電力が供給されます。AC電源の半サイクルごとにSCRは交互に導通し、電流が負荷に供給されます。S1が開くと、「オン」になっている方のSCRは、SCRが「オフ」になったときにAC電流がゼロになるまで、導通し続けます。この時点で、もう一方のSCRはゲート電流を受け取らなくなり、リレーが開き、負荷への電力供給が断たれます。
図2：バックツーバックSCRを用いたリレーの基本レイアウト。S1は、低電力入力回路によって形成されています。(画像提供：Sensata-Crydom)
最新のSSRは通常、低電力回路と高電力回路の間の絶縁を提供するためにオプトカプラに依存しています。設計者にとって重要な2つのオプションは、LED/オプトトランジスタベースのオプトカプラを使用するか、またはLEDとオプトトライアックを組み合わせたデバイスを使用することです。
オプトトランジスタを使用すると、制御電流が少なくて済み、スペースを節約でき、制御回路の特性を構成する機会が増えます。トライアック方式の主な利点は、低コストであることです。図3に、オプトトライアック制御リレーの回路図を示します。
図3：このSSRでは、低電力回路と高電力回路の間の絶縁は、オプトトライアックをベースとしたオプトカプラを介して行われています。(画像提供：Sensata-Crydom)
(SSRの選択方法の詳細については、Digi-Keyの技術記事「SSRで電流または電圧を安全かつ効率的にスイッチングする方法」を参照してください。)
低EMI環境向けSSR
SCR制御出力のSSRを選択することは、デバイスに固有の低ノイズ特性があるため、EMIの影響を受けやすいアプリケーションに適したオプションです。IEC 60947-4-3規格に準拠したスイッチング製品の使用が求められる、特に影響を受けやすいアプリケーションでは、超低ノイズの製品を選択する必要があります。
入力がいつアクティブになったかに関係なく、AC電圧がゼロ電圧ポイントを越えたときにのみオンになるSSRは、これらのアプリケーションに適したオプションです。
これらのいわゆるゼロクロスデバイスは、AC出力がサイクルの途中にある間に高電力回路をオンにした場合に発生する可能性がある突入電流や電圧スパイクを排除します。これにより、EMIの発生率が低下します。
設計者は、ゼロクロスSSRがヒータなどの抵抗性負荷に特に適している一方で、誘導性の高い負荷には適していないことに注意する必要があります。これらのアプリケーションに適しているのは、いわゆるランダムスイッチングSSRです。これらのSSRは、AC電源がゼロになるのを待つのではなく、入力スイッチがアクティブになった瞬間に切り替わります。
Sensata-CrydomブランドのSSRを提供するSensata Technologiesは、最近、LNシリーズ AC出力低ノイズSSR製品群に3つの製品を導入しました。LND4425は出力に25Aを供給でき、LND4450は50Aを供給し、LND4475は75Aを供給します。
これらのデバイスは、安定した動作のために必要な最小負荷電流が100mArmsで、「ホッケーパック」フォームファクタで提供され、重さは約75gです(図4)。3つのソリューションはすべて48～528VAC出力を備え、4.8～32VDCの制御電圧で動作します。入出力過電圧保護が内蔵されており、入力と出力間の絶縁耐力は3500Vrmsです。
図4：Sensata-CrydomのLND44xx SSRは、わずか75gのコンパクトなソリューションから最大75A、528Vを提供します。(画像提供：Sensata-Crydom)
LNシリーズは最小のEMI動作を実現するように設計されています。入力にオプトトライアックを備えたオプトカプラを使用し、出力制御にはバックツーバックSCRを使用しており、遅いdv/dt特性の結果として発生する可能性のあるEMIを克服しています。
バックツーバックSCRは500V/µsのdv/dtを特徴としています。これらの製品はまた、EMIを最小限に抑えた抵抗性負荷スイッチングを可能にする特許取得済みのトリガ回路を備えています。LNシリーズ SSRの回路図を図5に示します。
図5：Sensata-CrydomのLNシリーズ SSRは、特許取得済みのトリガ回路やバックツーバックSCRなどの機能によりEMIを最小限に抑えるように設計されています。(画像提供：Sensata-Crydom)
これらのEMI軽減機能の結果として、低電圧の家庭用、商用、軽工業用の場所向けのIEC60947-4-3環境Bに適合しています(図6)。
図6：Sensata-Crydom LND4450 SSRで実施されたRF放射テスト。IEC60947-4-3環境B適合の閾値は、オレンジ色の実線で示されています。(画像提供：Sensata-Crydom)
LNシリーズは、特に図7に示すような商用オーブンのヒータなどのアプリケーションに適しています。
図7：商用オーブンで使用されるリレーはIEC60947-4-3環境B規制に準拠している必要があります。この図では、リレーの位置が数字で示されており、「1」はLND44xx SSRが適している場所を示しています。(画像提供：Sensata-Crydom)
まとめ
リレーは、低電力起動回路を使用して高電力回路を切り替えるためのシンプルで実績のあるソリューションです。EMRは、低コストのソリューションが必要な場合に適したオプションですが、高周波スイッチングアプリケーションやEMIの影響を受けやすい領域での使用にはあまり適していません。
SSRはより高価ですが、堅牢で摩耗のない動作を提供し、特にデジタル電子機器との互換性があります。しかし、SSRを選択する設計者は、EMRと比較して同等のアプリケーションでの放熱量が高いため、SSRがもたらす熱的な課題に注意する必要があります。
すべてのタイプのSSRはEMRよりも低いEMIを示しますが、設計によってはIEC60947-4-3環境Bで規定されているようなEMC規制要件を満たすのが困難なものもあります。
前述のように、ソリューションは、バックツーバックのSCR出力段を備えたSSRを使用することです。これにより、ゼロクロススイッチングが可能となり、超低RF放射を実現し、コンプライアンスへの対応が容易になります。
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