導語：固態(tài)繼電器（SSR-Solid State Relay），雖以“無觸點、長壽命” 著稱，仍難逃失效風險。本文將從特性、失效機理、實例到防范，全面解析固態(tài)繼電器的 “故障密碼”。
圖1. 固態(tài)繼電器
一、固態(tài)繼電器的基本特性
固態(tài)繼電器是全電子元器件構(gòu)成的無觸點開關(guān)，核心由輸入電路、隔離環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和輸出電路組成。輸入電路接收控制信號，通過光耦等隔離器件將電信號轉(zhuǎn)為光信號，實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離，再經(jīng)驅(qū)動電路觸發(fā)晶閘管、MOSFET 等半導體輸出元件導通或關(guān)斷。
圖2. SSR的構(gòu)成原理框圖
圖3. 開蓋后的SSR
與傳統(tǒng)機械繼電器相比，其優(yōu)勢顯著：
o長壽命與高可靠性：無機械觸點磨損，據(jù)森薩塔CWA48125P 型 SSR 可靠性測試試驗顯示：在 40°C 環(huán)境下壽命試驗及理論計算 MTBF（平均故障間隔）可達 1164 萬小時（約 1328 年），60°C 時仍達 721 萬小時（約 823 年）。實際應(yīng)用中，器件會受負載波動、環(huán)境腐蝕等個體因素影響，壽命通常在 10-20 年（約 87600-175200 小時）。遠超機械繼電器數(shù)千至數(shù)萬次的觸點壽命。
低噪聲與高速切換：無觸點彈跳與電弧，切換頻率可達kHz 級，且無電磁干擾，適配精密控制場景。
環(huán)境適應(yīng)性強：無機械結(jié)構(gòu)，耐振動、耐腐蝕，可在- 40°C 至 125°C 寬溫范圍工作，適配航天、海上平臺等嚴苛環(huán)境。
兼容性佳：輸入信號可直接與TTL、PLC 等邏輯電路對接，無需額外驅(qū)動器件。
需特別說明的是，固態(tài)繼電器（SSR） 與電磁繼電器（EMR）并非替代關(guān)系，而是互補選型：
SSR ：優(yōu)勢在高頻切換、低噪聲、長壽命，但存在導通損耗（0.5-2V 壓降）和微安級漏電流，適配小電流（≤50A）、精密控制場景（如數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器）；
EMR ：則具備零漏電流、低導通損耗（mΩ 級電阻）、故障時多為安全開路模式，且成本更低，適合大電流（≥100A）、低頻次切換（≤10 次 / 日）及安全回路（如電梯制動、緊急停車系統(tǒng)）。
選擇使用哪種繼電器需結(jié)合負載類型、切換頻率、安全要求及成本綜合判斷。兩者對比如下表：
SSR 失效并非隨機事件，而是遵循特定物理化學規(guī)律，可分為三類核心模式：
2.1 突然失效：瞬時過應(yīng)力引發(fā)的 “猝死”
由電氣、熱或機械過應(yīng)力導致，不可逆且無預警，占失效總數(shù)的40% 以上。
電氣過應(yīng)力失效：過電壓擊穿絕緣介質(zhì)，或過電流導致熱擊穿。如光伏逆變器SSR 因雷擊產(chǎn)生 2500V 電壓尖峰（遠超 1500V 額定值），引發(fā)晶閘管擊穿短路。機理是強電場使絕緣材料中形成 “電樹” 通道，或過電流導致半導體結(jié)溫驟升超過耐受極限（通常為 150-175°C）。
熱過應(yīng)力失效：環(huán)境高溫或散熱不良導致熱失控。森薩塔數(shù)據(jù)顯示，環(huán)境溫度從40°C 升至 60°C，MTBF 下降 38%，因溫度升高加速半導體載流子遷移，最終引發(fā)燒毀。
機械過應(yīng)力失效：振動、沖擊導致內(nèi)部焊點開裂或引線斷裂。港口起重機SSR 因持續(xù)振動，PCB 焊點累積應(yīng)力斷裂，造成間歇失效。
2.2 退化失效：性能劣化的 “慢性死亡”
隨時間漸進劣化，占失效總數(shù)的50%，可通過監(jiān)測預警。
熱疲勞失效：溫度循環(huán)使芯片、焊料、基板因熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配產(chǎn)生應(yīng)力，導致焊點開裂。某軌道交通 SSR 因每日 200 次溫度循環(huán)（ΔT=80°C），1 年后出現(xiàn)焊點開裂，符合 Coffin-Manson 疲勞壽命模型。
電遷移失效：長期電流使金屬離子遷移，形成導電尖峰或空洞，導致接觸電阻增大。通常發(fā)生在大電流場景，如電動汽車充電樁SSR。
化學腐蝕失效：鹽霧、硫化物等環(huán)境介質(zhì)侵蝕電極或焊點。海上平臺SSR 因鹽霧腐蝕，壽命僅 2 年，原因為銀電極被硫化形成絕緣層。
2.3 間歇失效：時好時壞的 “疑難雜癥”
占比約10%，診斷難度大，多由接觸不良或參數(shù)漂移導致。例如，某鋼廠起重機 SSR 因端子鎖緊缺陷，振動時接觸電阻從 5mΩ 跳變至 50mΩ，引發(fā)時斷時續(xù)的故障；高寒地區(qū) SSR 因光耦低溫參數(shù)漂移，清晨頻繁誤觸發(fā)。
三、固態(tài)繼電器的失效分析實例
實例1：航天應(yīng)用 SSR 的 “雙重失效謎案”
故障現(xiàn)象：某型號SSR的4路繼電器的其中1路同時出現(xiàn)短路與開路，無輸入信號時輸出短路，加電時輸出呈開路。
分析流程：
1）外觀檢查：啟封后無多余物搭接，排除外部污染；
2）電學測試：柵極互聯(lián)線與過孔間時通時斷，確認接觸不良；
3）微觀觀察：SEM 顯示柵極焊點焊料填充不足，浸潤不良（虛焊）；
失效機理：虛焊導致柵極無法驅(qū)動（開路），且電荷無法釋放，引發(fā)MOSFET 誤導通（短路）。
圖4. SSR內(nèi)部虛焊引起的失效
改進措施：優(yōu)化焊料量與回流焊工藝，增加焊點拉力測試。
實例2：光伏逆變器 SSR 的 “雷雨劫”
故障現(xiàn)象：雷雨季節(jié)批量擊穿，直流側(cè)短路。
分析流程：
1）參數(shù)復測：擊穿電壓僅1800V，低于額定 2000V；
2）環(huán)境排查：雷擊導致電壓尖峰達2500V，dv/dt 超標；
失效機理：過高dv/dt 通過結(jié)電容產(chǎn)生位移電流，觸發(fā)晶閘管誤導通。
改進措施：升級基板為AlN（介電強度提升 30%），增加 RCD 緩沖電路與 1700V MOV 瞬態(tài)抑制器，改進后 3 年無故障。
實例3：電動汽車充電樁 SSR 的 “高溫罷工”
故障現(xiàn)象：夏季高溫時頻繁保護停機。
分析流程：
1）溫度監(jiān)測：結(jié)溫達150°C（額定 125°C）；
2）散熱檢查：散熱器積塵導致熱阻增加30%；
失效機理：散熱不良引發(fā)熱失控，觸發(fā)保護機制。
改進措施：增加防塵濾網(wǎng)，采用智能風扇調(diào)速，添加遠程積塵報警，故障率降低90%。
四、如何防范固態(tài)繼電器失效
4.1 設(shè)計階段：筑牢可靠性根基
絕緣防護：遵循IEC 62314:2022 標準，采用高介電強度材料（如聚酰亞胺薄膜，300kV/mm），邊緣設(shè)計場環(huán)降低電場集中；
熱設(shè)計：根據(jù)UL 508 標準（0-40°C 環(huán)境），預留 2-3 倍散熱裕量，選用 AlN 基板（熱導率是 Al?O?的 5 倍）；
應(yīng)力緩沖：采用CTE 匹配的 SnAgCu+Bi 焊料，設(shè)計柔性引線減少熱應(yīng)力。
4.2 選型階段：精準匹配工況
參數(shù)裕量：電壓選額定值的1.5 倍，電流選 2 倍，如 10A 阻性負載選 20A SSR；
負載適配：阻性負載選零電壓開啟型（如森薩塔CWA48125P），感性負載選過零關(guān)斷型，降低浪涌沖擊；
環(huán)境適配：海上平臺選IP68 防護、激光密封（漏率 0?? Pa?m³/s）的 SSR，高寒地區(qū)選 - 55°C 以下低溫光耦。
4.3 應(yīng)用與維護：全生命周期管控
電路保護：并聯(lián)MOV 抑制過電壓，串聯(lián) RC 電路限制 dv/dt，大電流回路加快速熔斷器；
狀態(tài)監(jiān)測：集成NTC 熱敏電阻監(jiān)測結(jié)溫，采用四線制測量接觸電阻（精度 0.1mΩ），記錄 1000 次歷史數(shù)據(jù)；
定期維護：每6 個月清潔散熱器，每年校準溫度傳感器，惡劣環(huán)境下檢測密封性能。
結(jié)論：固態(tài)繼電器的失效本質(zhì)是“應(yīng)力超過耐受極限” 或 “性能劣化累積”，熱失效與電氣過應(yīng)力是主要誘因。通過 “設(shè)計階段筑牢防線、選型階段精準匹配、應(yīng)用階段動態(tài)監(jiān)測” 的全流程管控，可顯著提升可靠性 —— 如航天領(lǐng)域通過工藝優(yōu)化將虛焊率降至 0.1% 以下，工業(yè)場景通過防護升級使壽命延長 5 倍。
隨著新能源、航天等高端領(lǐng)域?qū)煽啃砸蟮奶嵘?，集成智能監(jiān)測與自適應(yīng)補償?shù)腟SR 將成為主流。而掌握失效機理與防范方法，既是工程師的核心能力，更是保障系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。
參考來源：
1）森薩塔SSR 參數(shù)源自：CWA48125P產(chǎn)品頁https://www.sensata.com.cn/products/relays/cw-series-480-vac-panel-mount-solid-state-relay-cwa48125p
2）案例一：宇航材料工藝http://www.yhclgy.com 2025年 第5期 《短路和開路失效模式同時存在的固體繼電器失效分析》 作者：代超、霍向東、孫靜、王全（航天材料及工藝研究所，北京100076）
京公網(wǎng)安備11010802046783號
