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

著者 Bill Schweber氏

Digi-Keyの北米担当編集者 の提供

電子制御が消費者、商用、医療、産業などの用途に浸透していくにしたがい、低電圧・低電流回路と高電圧・高電流回路のスイッチのニーズが高まりつつあります。エレクトロメカニカルリレー(EMR)にも独自の立ち位置がありますが、ソリッドステートリレー(SSR)がその小さなサイズ、低コスト、高速性、低い電気的可聴ノイズ、高信頼性により好まれることが多くなっています。

普及する可能性があるSSRを正しく適用するには、設計者がその物理的・電気的動作および特性の微妙な違いを理解しておく必要があります。そのような正しい知識を通じて、適切なSSRをアプリケーションの入出力、負荷、温度状況に適合させ、的確な設計を行うことができます。

この記事では、さまざまなSSRの微妙な違いや、それらの正しい適用方法について考察するほか、高い電圧および電流のスイッチングで生じる問題に対処するためのいくつかの最新SSRソリューションをご紹介します。

SSRの基礎

SSRにはメーカーやサプライヤによってさまざまな名称が使用されています。たとえば、Omronでは「MOS FETリレー」、Toshibaでは「フォトリレー」と呼ばれています(表1)。

メーカー カタログに記載の名称
Toshiba フォトリレー
Panasonic Electric Works PhotoMOSリレー
OKI Electric Industry MOSFETリレー
OKI Electric Industry フォトMOSスイッチ
Okita Works フォトDMOS-FETリレー
HP ソリッドステートリレー
OMRON MOS FETリレー

表1: コアな動作原理は同じですが、それぞれのサプライヤによってさまざまな名称がSSRに使用されていて、独自または自社ブランドとしてのSSRの実装が強調されている場合もあります。(画像提供:Omron Corp.)

サプライヤが使用しているSSRの名称を問わず、その動作原理は同じです。これは広く知られていて普及度の高いオプトカプラ(光アイソレータとも呼ぶ)の延長線上にあるものです。その最も単純な形式では、入力側にLED、出力側にフォトトランジスタがあり、ミリメートルのオーダーである光学経路によって分離されています(図1)。電圧および電流のレベルによっては、感光性SCRまたはトライアックがフォトトランジスタの代わりに使用されます。

「光アイソレータの物理的配列」の図

図1: 光アイソレータの物理的配列は以下のように一見単純に見えます。LEDが電気エネルギーを光子に変換すると、今度はフォトトランジスタに通電してVBEの降下が抑えられるようにします。これにより確実な光学経路のガルバニック絶縁が行えます。(画像提供:Technogumbo)

LEDに通電すると、生成された光子がフォトトランジスタに通電し、導電モードに移行して電流が負荷へ流れるようになります。これを「オン」状態と呼びます。LEDがオフになると、フォトトランジスタもオフ(つまり非導電モード)となり、(完全ではないものの)良好な「開回路」のように見えます。

一般にLEDとフォトトランジスタ間のガルバニック絶縁は、LEDとフォトトランジスタ間の分離および光学的に透明な絶縁バリアにより、数千ボルトの範囲となります。ここで留意すべきなのは、絶縁は電圧ブレークダウンパラメータであり、1000メガオーム~100万メガオームのオーダーとなる入出力間抵抗(多くの場合は広義に「無限大の」抵抗と呼ばれる)とは異なることです。通常の場合、オン/オフ状態間のスイッチング時間は数マイクロ秒で指定されます。

ただし、完全なSSRとは単にLEDとフォトトランジスタまたは感光性SCR/トライアックの組み合わせではありません。入力LED側と、感光性を持つ出力側の両方に追加の回路と機能も必要になります(図2)。

「SSRに追加の回路と機能が必要になること」を示す図

図2: 完全なSSRにするには、入力LED側と、感光性を持つ出力側の両方に追加の回路と機能が必要になります。(画像提供:Omron Corp.)

SSRは比較的単純なデバイスです。絶縁負荷の入力、大きさ、タイプなどだけでなく、使用時に想定すべき特殊な状況に関するデザインインまでも考慮されています。

SSRを選択する際、設計者は入力ドライブレベルおよび種類(ACかDCか)のほか、負荷の特性(最大電流、最大電圧、タイプ(ここでもACまたはDC))などを把握しておく必要があります。SSRは数ボルトから数十ボルト、またはそれ以上のあらゆる電圧で駆動することが可能ですが、安全性と効率性の理由により入力電圧を抑えたものがますます一般的になり、最新のエレクトロニクスにさらに適合するようになっています。

入力ドライバがDCの場合、SSR入力のLEDを直接駆動することができます。ACの場合、設計者はSSRよりも前にブリッジ整流器を追加する必要があります。ユニットにブリッジがすでに組み込まれたそれ以外の点では同じSSRを利用できる可能性があります。多くの場合、整流オプションが内蔵されているものは入出力性能の仕様が完全に決まっており、微細なレイアウト問題に対応する必要がないため、有効な選択となります。SSRの標準的な入力感度は約6mWにわたります。

負荷の特性によっては、SSRの出力側は入力側よりもさらに少し複雑になります。SSRの出力が単に1つのトランジスタ、FETまたはSCRであれば、導電は1つの方向でのみ行われます。したがってDC負荷でしか使用することができませんが、この例としてはコードレスヒーターがあります。AC負荷にはトライアックまたはSCRペアリングが使用されます。通常、ベンダーが提供するSSRは仕様がほぼ同じで、DC専用出力またはAC出力を使用します。一般には、AC出力SSRはDC電源にも使用することができます。出力定格は数ボルト(またはアンペア)から何十、何百ボルト(またはアンペア)にまで多岐にわたります。

SSRのオプション: ノーマリオープン(NO)/ノーマリクローズ(NC)接点と多極特性

標準的なSSRは単一のノーマリオープン(NO)出力配列となっています。しかし、これとは逆のノーマリクローズ(NC)構成を必要とする多くのアプリケーションがあります。この場合、電力が入力ステージに投入されると出力ステージが開きます。また、NOとNCの両方のアクションを同時に必要とする設計も存在します。1つのNOとNCの組み合わせ、およびその他のいくつかの接点極も想定されます。

多極およびNO接点とNC接点のニーズに応えるため、ユーザーはカスタマイズされた出力回路を増設できますが、このアプローチには少なくとも4つの問題点があります。第一に、多くの場合、高電圧・高電流が想定されるため、設計には多くの本質的な課題が潜んでいます。第二の点は、さまざまな規制上の安全性基準に適合し、承認を受ける必要があるということです。第三の点は、あるプロジェクトにおいて行うべきことが増えるということです。第四には、結果として得られる性能の検証が複雑な作業になることです。

一方、ユーザーは小規模の回路を通じて入力信号を反転させ、NO接点のSSRが信号入力のないときに閉じ、信号入力があるときに開くようにすることもできます。 ただし、これは入力側に停電が生じたときにリレー出力が「ネイティブの」NO状態に戻るため、SSRの出力状態に関する安全性の問題がもたらされる可能性があります。ここで、絶縁の定義により、SSRの入力電源と出力電源が独立していることを思い出しましょう。つまり、設計者は既知のフェイルセーフ出力モードを保証できなくなる可能性があります。

2つ以上の極を必要とする状況では、複数のSSRを直列・並列のどちらでも駆動させることが可能です。これは実行可能な解決策ではありますが、駆動電流と電圧の要件だけでなく、デバイスの直列/並列トポロジの障害がもたらす影響についても注意深く考慮する必要があります。また、複数のSSRを使用することでBOM(部品表)への記載事項が増え、基板スペースもさらに余裕がなくなります。

これらのNO/NCおよび多極のニーズを認識しながら、ベンダーはSSRの製品ラインアップに増設回路を新たに追加し、テストや認証に完全適合したさまざまな出力配列を実現できるようにしています。このように多くのSSRは同様の仕様を備えたファミリから入手可能ですが、製品の選択と使用を簡素化できる出力構成の仕様は除きます。

たとえば、IXYS Integrated Circuits Divisionでは性能がほぼ同一であり3,750VRMSの入出力絶縁を備えながらも、出力構造が相互に異なる3つのSSRを提供しています。

LAA110には2つの単極NO(1 Form A)リレーが含まれます。それぞれ定格350V/120mA(AC/DC)であり、8ピンDIP、SMT、フラットパック型ハウジング形式で提供されます(図3)。

「IXYSが提供するLAA110」の図

図3: IXYSが提供するLAA110は、2つの独立した入力と、それぞれに対応するNO出力を備えた基本的な2チャンネルSSRです。(画像提供:IXYS)

LCC110は、LAA110と定格およびパッケージが同じで、単独の入力で駆動する1つのNO/NC接点ペア(1 Form C)を備えています(図4)。

「IXYSが提供するLCC110」の図

図4: IXYSが提供するLCC110は、1つのNO出力極と1つのNC出力極を制御する単一の入力を備えた基本的な2チャンネルSSRです。(画像提供:IXYS)

LBA110は2つの独立したリレーで構成されています。片方は単極ノーマリオープン(1 Form A)リレーでもう片方は単極ノーマリクローズ(1 Form B)リレーであり、こちらも定格およびパッケージは同じです(図5)。

「IXYSが提供するLBA110」の図

図5: このファミリの別製品としてIXYSのLBA110がありますが、これはNO出力極とNC出力極のそれぞれに対し別々の入力を持つ2チャンネルSSRです。(画像提供:IXYS)

ほとんどのハイパワーSSRファミリに使用できる、同様な一連のオプションも用意されています。現在使用している単一の低電流SSRでは定格電流が不十分な場合、複数のSSR出力を単に並列させて必要な定格を得ようとすることも考えられます。しかし一般には、いくつかの理由によりこれは決して良いエンジニアリング実践例ではありません。

第一に、同じ公称定格のSSR同士でも完全には適合しません。そのため、1つのSSRで処理する電流が結果的に残りのSSRよりも多くなり、電流と温度の限界値を超えたストレスがかかるため、早期故障の原因になることがあります。第二には、複数のSSRのうちの1つが何らかの理由で故障した場合は、残りのSSRに流れる電流が過剰となり、連続して故障が発生します。このような理由から、出力定格の適切な単一のSSRを選択することが望まれます。

SSRの保護と制限事項

SSRはかなり堅牢ではありますが、状況によってはさらに保護が必要になります。たとえばヒータや白熱電球などの抵抗性(無誘導)AC負荷をスイッチングするSSRの場合、入力制御信号のタイミングにかかわらず、1つの同期SSRがACラインのゼロ交差だけで出力のオン/オフをスイッチングできるよう指定する必要があります(図6)。

「ACラインのゼロ交差だけで出力をスイッチングできるよう設計された同期SSR」のグラフ

図6: 同期SSRは電磁干渉(EMI)の発生を最小限に抑えるため、ACラインのゼロ交差だけで出力をスイッチングできるよう設計されています。a)非同期SSRの抵抗性負荷に対する波形。b)同期SSRの抵抗性負荷に対する波形。(画像提供:Crydom、Omega Engineering経由)

ラインのゼロ交差だけで行うスイッチングにより、AC出力の波形がサイクルの途中で開始または終了してしまうことで生じるラインノイズや放射ノイズを最小化したり取り除いたりできます。しかし設計者は、ゼロ交差SSRでは高い誘導性負荷でオフにできない可能性があることを認識すべきです。この問題を解決するため、SSRのベンダーは、入力遷移に応じて必要なときにスイッチのオン/オフを切り替えられる、いわゆるランダムスイッチングSSRも提供しています。ここでもまた設計者は負荷について理解し、ベンダーのカタログから適切なSSRを選択しなければなりません。

また、SSRの使用時に生じる内部損失による熱についても考慮する必要があります。出力が「オン」状態のときでも、アクティブな素子全体にわたり微小でもクリティカルな降下が起こることがあります。これは、たとえばモータを駆動するMOSFETにも当てはまります。この結果として生じる熱をSSRにより放散させることが必要です。そのため、ベンダーは、熱ディレーティング曲線とともに、最大負荷での許容動作温度を定義する仕様を備えたSSRを提供しています。このSSRの熱環境は、標準的なツールでモデル化することができます。小型のSSRには標準的なICヒートシンクが多く使用されますが、高熱を生じさせる大型のSSRでは、より複雑なヒートシンクの配列が必要です。

また、高熱放散要件を伴う大きな負荷を対象としたSSRも、その物理的構成がますます大きくなっています。SSRは小さい負荷を対象とした6リードSOICから大きい負荷を対象とした大型モジュールに至るまでさまざまなハウジングで提供されます。また、パネルマウントかレールマウントまたは自立可能なパッケージが使用されることもあります。

たとえば、SPST-NO(1 Form A)デバイスであるVishayLH1510 SSRは動作時の定格電流が200mAで定格電圧が200Vであり、標準的な6リードSMTまたはDIPパッケージで提供されます(図7)。AC負荷またはDC負荷で使用できます(図8)。その小さいサイズにかかわらず、このSSRでは5300VRMSの持続性ピーク絶縁定格および8000VRMSの過渡ピーク絶縁定格を得ることができます。

「Vishayの低電力LH1510 SSR」の画像

図7: Vishayの低電力LH1510 SSRは定格電流が200mAで定格電圧が200VのSPST-NOデバイスです。DIPハウジングおよび6リード面実装パッケージ形式で提供されます。(画像提供:Vishay Semiconductors)

「AC/DC出力要件またはDC専用出力要件に合わせて設定できるVishayのLH1510」の図

図8: 利用可能なパッケージリードの数により、LH1510はAC/DC出力要件あるいはDC専用出力要件に合わせて設定できます。モードごとに仕様がわずかに異なります。(画像提供:Vishay Semiconductors)

これに対し、EL240AシリーズのAC出力パネルマウントSSR (Crydom/Sensata Technologies)は、AC24~280Vで5A、10A、20A、30Aの出力定格に対応しており、オプションでDC5V、12V、24Vの制御入力にも対応できます。この電力量の場合、SSRはクイックコネクト端子を備えた寸法36.6 x 21.1 x 14.3mmの大型モジュールで提供されます(図9)。ここで留意すべきなのは、この大型モジュールは定格が3,750VのRMS絶縁であり、さらに小さいVishayの6ピンパッケージよりもやや小さいということから、全体の物理サイズが絶縁を表すものではないということです。

「Crydom/Sensata TechnologiesのSSRであるEL240Aシリーズ」の画像

図9: Crydom/Sensata TechnologiesのSSRであるEL240Aシリーズは、最大30Aの電流および最大DC24Vの制御入力に対応しています。(画像提供:Crydom/Sensata Technologies)

EL240Aシリーズの負荷はどちらの出力脚にも接続可能であり、設計上の柔軟性がもたらされます(図10)。これらのモジュールは大型サイズであるため、ベンダーはLEDインジケータ(こちらも図10に記載)を増設してSSR入力状態を目視により迅速に評価できます。

「Crydom/Sensata TechnologiesのEL240Aシリーズ」の図

図10: 負荷はEL240Aシリーズのどちらの出力脚にも接続可能であり、著しい設計上の柔軟性がもたらされます。(画像提供:Crydom/Sensata Technologies)

SSRの外側にも目を向けてみましょう

ほとんどの電力関連デバイスと同様に、SSRには外部最大電力、電圧、電流、熱放散だけにとどまらない課題が存在します。SSRの物理配線、バスバー、プリント回路基板のトレースなども、過剰なIR降下を生じさせずに負荷電流を流せるようにサイジングする必要があります。同様に、SSRへの接続では、ディスクリートワイヤ、ソケット、プリント基板のはんだ付けなどを問わず、すべて十分なサイジングと定格設定が必要です。

低電流レベルでも、SSRは高電圧スイッチングを生じさせる場合があります。このような場合は、必須となる最小の空間距離、沿面距離と電圧の考慮などを含めて、ユーザーの安全性が懸案事項となります(図11)。このような要件は数多くの規格におけるIEC/UL 60950-1、IEC 60601-1、EN 60664-1:2007、VDE 0110-1によって定義されています。

「空間距離と沿面距離」の図

図11: 空間距離(上)は空間を通る2つの導電部間または機器の導電部と境界表面間の最短経路として測定します。沿面距離(下)は2つの導電部間または機器の導電部と境界表面間の最短経路であり、その間を通る絶縁部の表面に沿って計測します。(画像提供:Optimum Design)

空間距離は空間を通る2つの導電部間または機器の導電部と境界表面間の最短経路として定義されます。沿面距離は2つの導電部間または機器の導電部と境界表面間の最短経路として定義され、その間を通る絶縁部の表面に沿って計測します。これら2つのパラメータの要件に準拠することで、フラッシュオーバー、スパーク、ユーザーの高電圧への暴露などを確実に防ぐことができます。

SSR自体は数千ボルトの絶縁に定格設定できますが、SSRへの接続ではどのような場合でも、使用する電圧に応じて保証に必要な距離を保つことが重要です。

また、SSRでは外部保護も必要です。AC負荷SSRでは、それ自体またはその近傍の誘導性負荷のスイッチがオフになると高電圧スパイクが生じ、SSRの出力構造が損傷する可能性があります。最も一般的な解決策は、SSRの負荷端子にわたって金属酸化物バリスタ(MOV)または過渡電圧サプレッサ(TVS)などの保護素子を電圧クランプとして1つ以上配置することです(図12)。

「電圧スパイクに対して外部保護が必要になる場合があるSSRの出力」の図

図12: SSRの出力では、誘導性負荷のスイッチングによって生じる電圧スパイクから外部保護することが必要になる場合があります。MOVまたはTVSでこの保護を行うことができます。(画像提供:Phidgets, Inc.)

これらのデバイスをサイジングする場合は、負荷のv = L(di/dt)の大きさを解析する必要があります。MOV定格電圧が高すぎる場合、低い値のスパイクに対する保護が行われず、MOVに損傷が生じる可能性があります。逆に定格電圧が低すぎる場合、頻繁に「トリガー状態」となり、過電圧スパイクが繰り返し生じてMOVの性能低下や消耗につながります。

また、トライアック出力やサイリスタ出力を備えたAC負荷用SSRを使用して誘導性負荷のオン/オフをスイッチングする場合、dv/dtの過渡電圧が生じてSSRが誤ってオンになる可能性があります。この誤作動のオン状態は、di/dtが誘発する電圧スパイクのようにSSRに損傷を与えることはありませんが、問題となることは明らかです。この問題を防ぐためRCスナバ回路を増設し、トライアックによって生じる電圧の急上昇を抑えることができます(図13)。

「SSR出力に増設するOmronのRCスナバ」の図

図13: SSR出力に増設するRCスナバは、誘導性負荷によって生じる誤作動のオンを防ぎます。(画像提供:Omron Corp.)

DC SSRの場合もほぼ同様ですが、ややシンプルです。誘導性負荷の場合は、スイッチがオフ状態になると生じる電流スパイクにより、現在オープンになっているSSR出力に損傷を与える可能性があります。標準的な解決策は、正端子上のカソードにダイオードを接続してSSRの周囲に経路を作り、電流が流れて消散できるようにすることです(EMRおよびソレノイドのコイルでも同じテクニックが使用されます)。

結論

ソリッドステートリレーは、制御部と負荷間に電気的絶縁を設けるとともに、AC負荷およびDC負荷のオン/オフをスイッチングできる非常に有用で強力なコンポーネントです。これらは本質的に堅牢であり簡単に適用できますが、設計者は入出力、負荷、温度状況などを注意深く評価し、適切なSSRを選択してそのパフォーマンスと機能を確実に引き出せるようにする必要があります。

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著者について

Bill Schweber氏

エレクトロニクスエンジニアであるBill Schweber氏はこれまで電子通信システムに関する3冊の書籍を執筆しており、また、発表した技術記事、コラム、製品機能説明の数は数百におよびます。これまで、EE Timesでは複数のトピック固有のサイトを統括するテクニカルウェブサイトマネージャとして、またEDNではエグゼクティブエディターおよびアナログエディターの業務を経験してきました。

Analog Devices, Inc.(アナログおよびミックスドシグナルICの大手ベンダー)ではマーケティングコミュニケーション(広報)を担当し、その職務を通じて、企業の製品、ストーリー、メッセージをメディアに発信する役割と、自らもそれらを受け取るという技術PR業務の両面を経験することになりました。

広報の業務に携わる以前は、高い評価を得ている同社の技術ジャーナルの編集委員を務め、また、製品マーケティングおよびアプリケーションエンジニアチームの一員でした。それ以前は、Instron Corp.において材料試験装置の制御に関するハンズオンのアナログおよび電源回路設計およびシステム統合に従事していました。

同氏はMSEE(マサチューセッツ大学)およびBSEE(コロンビア大学)を取得した登録高級技術者であり、アマチュア無線の上級クラスライセンスを持っています。同氏はまた、MOSFETの基礎、ADC選定およびLED駆動などのさまざまな技術トピックのオンラインコースを主宰しており、またそれらについての書籍を計画および執筆しています。

出版者について

Digi-Keyの北米担当編集者