前言

混合式繼電器是靜態(tài)繼電器(又稱固體繼電器豫鞭、電子繼電器或半導(dǎo)體繼電器)與機(jī)電繼電器并聯(lián)在一起組成的電源開關(guān)崭孤，兼?zhèn)錂C(jī)電繼電器的低電壓降和固體繼電器的高可靠性。家電電機(jī)啟動(dòng)器或家用電暖氣的控制開關(guān)是繼電器的常用應(yīng)用領(lǐng)域祈餐。鑒于符合RoHS法規(guī)可能會(huì)降低機(jī)電繼電器電源開關(guān)的可靠性，混合式繼電器的市場關(guān)注度越來越高哄陶。

但是萤翔，正確控制混合式繼電器遠(yuǎn)不像乍看起來那么容易，例如勋匙，機(jī)電繼電器和固體繼電器之間的切換操作可能產(chǎn)生尖峰電壓讼谅，輻射電磁噪聲。本文提供幾個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的降低混合式繼電器的尖峰電壓的控制電路設(shè)計(jì)小貼士韭赡。

1.集固體技術(shù)和機(jī)電技術(shù)之大成

在選擇交流開關(guān)時(shí)挟晒，設(shè)計(jì)人員非常熟知機(jī)電開關(guān)和固體開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。半導(dǎo)體開關(guān)即固體開關(guān)的響應(yīng)速度快割懊，通電時(shí)無電壓反彈寸快，斷電時(shí)無火花，不會(huì)輻射電磁干擾(EMI)烙赴，也不會(huì)縮短繼電器的產(chǎn)品壽命汞阔。機(jī)電式開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通損耗小，能夠?yàn)? A RMS以上的應(yīng)用系統(tǒng)省去一個(gè)散熱器，驅(qū)動(dòng)線圈與電源接線端子之間的電隔離還節(jié)省了驅(qū)動(dòng)可控制硅(SCR)整流管或三端雙向晶閘管的光耦合器捏梯。

第三個(gè)電源開關(guān)解決方案是將固體繼電器和機(jī)電繼電器并聯(lián)稿施，集兩種繼電器技術(shù)之大成，設(shè)計(jì)一個(gè)混合式繼電器(HR)培他。圖1所示是電機(jī)啟動(dòng)器所使用的混合繼電器拓?fù)渚榱健D中的三相電機(jī)啟動(dòng)器只使用兩個(gè)混合式繼電器。如果兩個(gè)繼電器都被關(guān)斷舀凛，只要負(fù)載沒有連接零線俊扳，電機(jī)就會(huì)保持?jǐn)鄳B(tài)。

如果負(fù)載連接零線猛遍，也可以在L1線上串聯(lián)一個(gè)混合式繼電器開關(guān)馋记。

圖1： 基于混合式繼電器的電機(jī)啟動(dòng)器; 右圖) 繼電器/雙向晶閘管控制順序

圖1還給出了混合式繼電器的控制順序：

-導(dǎo)通順序：

- 首先，三端雙向晶閘管導(dǎo)通(如果電流更大懊烤，應(yīng)改用兩個(gè)反極性并聯(lián)的可控硅整流管)梯醒，這準(zhǔn)許負(fù)載零壓導(dǎo)通;

- 然后，繼電器在一個(gè)或幾個(gè)交流電周期后導(dǎo)通腌紧。繼電器的導(dǎo)通電壓極低(通常是在1-2V之間茸习，是雙向晶閘管的電壓降);

- 最后，應(yīng)在繼電器線圈上電至少1至2個(gè)周期后撤消雙向晶閘管柵電流壁肋，為繼電器在雙向晶閘管關(guān)斷前開始運(yùn)行提供充足的時(shí)間号胚。因此，在穩(wěn)態(tài)過程中負(fù)載電流只流經(jīng)機(jī)電繼電器逊汤。

-關(guān)斷順序：

- 首先崎亚，三端雙向晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)繼電器處于通態(tài)時(shí)啥榜，負(fù)載電流主要是通過機(jī)電繼電器送到電機(jī)涉炒。。

- 然后庵锰，繼電器在幾毫秒后關(guān)斷秃练。繼電器的關(guān)斷電壓極低串飘，類似于繼電器導(dǎo)通操作陪孩。因此，火花期被縮短钳砰。

- 最后盅妹，應(yīng)在繼電器線圈掉電至少1至2個(gè)周期后撤消雙向晶閘管柵電流，雙向晶閘管關(guān)斷许话，混合式繼電器在零電流時(shí)關(guān)斷羔俭。

在近乎零壓時(shí)關(guān)斷機(jī)電式繼電器的設(shè)計(jì)方法可將繼電器壽命延長10倍，如果開關(guān)操作是直流電流或電壓，繼電器的壽命延長不只是10倍阁吝，可能更高砚婆。

最重要的是，因?yàn)镽oHS行業(yè)法規(guī)(2002/95/EC)將于2016年7月起禁用鎘物質(zhì)突勇，觸點(diǎn)防銹和觸點(diǎn)焊接工藝使用的銀氧化鎘可能會(huì)被Ag-ZnO或Ag-SnO2替代装盯，在這種情況下，除非使用更大的觸點(diǎn)甲馋，否則觸點(diǎn)壽命將會(huì)縮短埂奈。

零壓導(dǎo)通還準(zhǔn)許使用容性負(fù)載降低涌流，例如定躏，電子鎮(zhèn)流器和內(nèi)置補(bǔ)償電容或逆變器的熒光燈管账磺。零壓導(dǎo)通還有助于延長電容的生命周期，避免交流電壓波動(dòng)痊远。

此外垮抗，固體繼電器準(zhǔn)許電機(jī)實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式軟件啟動(dòng)或啟停。平順的加速或減速將會(huì)降低機(jī)械系統(tǒng)磨損碧聪，避免電泵借宵、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)工具椿烂、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備損傷策谅。例如，運(yùn)輸管道中的水錘現(xiàn)象將會(huì)消失伍配，貨物傳送帶可避免V型皮帶打滑和抖動(dòng)崔深。

混合式繼電器在4-15 kW的電機(jī)應(yīng)用中十分常見，不過也可用于最高250 kW的電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)跨峡。

混合式繼電器還用于電暖氣等取暖產(chǎn)品泳信，加熱功率或室溫/水溫的設(shè)定通常由脈沖串控制器來完成。脈沖串或周期跳躍式控制原理的實(shí)質(zhì)是使負(fù)載保持N個(gè)周期的通態(tài)和K個(gè)周期的斷態(tài)拦举，“N/K”比負(fù)責(zé)定義加熱功率筝仓，類似于脈沖調(diào)制控制技術(shù)中的占空比。這里的控制頻率小于25-30 Hz盐传，但是趾双，相對(duì)于取暖系統(tǒng)的時(shí)間常量，這個(gè)速度已經(jīng)夠用漆粉。

2. EMI噪聲源

三端雙向晶閘管的驅(qū)動(dòng)方法雖然有多種甜殖，但是，行業(yè)法規(guī)要求在取暖應(yīng)用中必須使用電隔離控制電路径簿。如圖1所示罢屈，兩個(gè)雙向晶閘管沒有共用同一個(gè)參考電壓嘀韧，這就是設(shè)計(jì)師期待使用光耦或脈沖變壓器設(shè)計(jì)控制電路的原因。兩個(gè)電路的工作方式不同缠捌，所產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也不盡相同锄贷。

圖2所示是一個(gè)光耦雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)光耦雙向晶閘管激活時(shí)(即當(dāng)微控制器的I/O引腳置高電平時(shí))曼月，通過電阻R1施加雙向晶閘管柵電流肃叶。電阻R2連接在雙向晶閘管柵極G和接線端子A1之間，用于阻止每當(dāng)施加瞬變電壓時(shí)光耦雙向晶閘管電容器產(chǎn)生的電流十嘿。每當(dāng)電流過零時(shí)因惭，該控制電路都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓(如圖2所示)，即使在光耦雙向晶閘管內(nèi)置電壓過零電路绩衷，仍就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓蹦魔。

圖 2:光耦驅(qū)動(dòng)電路，右圖)電流過零尖峰電壓

事實(shí)上咳燕，在一個(gè)光耦雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)唐故，要想施加?xùn)艠O電流，雙向晶閘管A1和接線端子A2之間必須存在電壓征拆。雙向晶閘管導(dǎo)通壓降接近1V或1.5V父系，然而低于光耦雙向晶閘管和G-A1結(jié)的電壓降之和(兩個(gè)電路的電壓降都高于1V)，所以還不足以驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)過柵極虫棕。每當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)椒蜜，因?yàn)闆]有電流施加到柵級(jí)，所以雙向晶閘管關(guān)斷车榆。

在雙向晶閘管關(guān)斷后厌留，線路電壓回加到接線端子上，使電壓VTPeak升高耙钉，升幅足以使在柵極施加的電流達(dá)到雙向晶閘管的額定柵極電流IGT囊像。在圖2所示的T2550-12G雙向晶閘管(25 A，1200 V卡竣，50 mA IGT)測(cè)試中禾门，該電壓的最大值電壓為7.5 V (在變成負(fù)電壓過程中)。假設(shè)光耦雙向晶閘管和G-A1結(jié)的典型電壓降分別為1.1 V和0.8 V蝴韭，電阻R1為200 Ohm够颠，這個(gè)電壓值將會(huì)產(chǎn)生28 mA的柵電流，這正是我們所用樣片在第3象限導(dǎo)通所需的IGT 電流(負(fù)VT電壓和負(fù)柵電流)万皿。

如果樣片的IGT 值接近最大額定值(50 mA)摧找，VTPeak 電壓值可能會(huì)更高核行，因?yàn)镮GT隨著結(jié)溫降低而升高牢硅，所以，如果結(jié)溫降低，VTPeak 電壓值也可能會(huì)提高减余。

因?yàn)閂TPeak電壓的出現(xiàn)頻率是線路頻率的2倍(如果交流電頻率50 Hz综苔，VTPeak電壓出現(xiàn)頻率是100 Hz)，使得繼電器的EMI噪聲輻射超出EN 55014-1家電和電動(dòng)工具電磁干擾輻射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限位岔。需要說明的是如筛，這一噪聲只有當(dāng)雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。只要繼電器將光耦電路旁通抒抬，該噪聲也就自動(dòng)消失杨刨。這種斷續(xù)騷擾是否適用EN 55014-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取決于斷續(xù)騷擾的重復(fù)率(或喀嚦聲)擦剑，即混合式繼電器工作頻率和騷擾時(shí)長吊冬。

為避免這些尖峰電壓，在脈沖變壓器和光耦雙向晶閘管中婉涌，應(yīng)優(yōu)選脈沖變壓器量伏。增加一個(gè)整流器全橋和一個(gè)電容器，以修平變壓器二次側(cè)整流電壓夏坝，這種方法可讓直流驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管柵極畴贵。因此，電流每次過零時(shí)都不會(huì)再有尖峰電壓發(fā)生花脐。但是幅秉，在導(dǎo)通過程中，從機(jī)電式繼電器切換到雙向晶閘管時(shí)戚吕，仍然有騷擾噪聲出現(xiàn)钾趁，不過，這種切換好在只發(fā)生在在混合繼電器關(guān)斷過程中租江。圖3所示是切換期間發(fā)生的尖峰電壓斑泳。這個(gè)尖峰電壓恰好發(fā)生在雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)，也就是整個(gè)負(fù)載電流從繼電器突然轉(zhuǎn)移到雙向晶閘管期間献丑。

圖3.b所示是流經(jīng)雙向晶閘管的電流的放大圖末捣。電流上升速率dIT/t接近8 A/μs。如果雙向晶閘管被觸發(fā)但沒有導(dǎo)通(整個(gè)電流仍然流經(jīng)機(jī)電繼電器)创橄，當(dāng)電流開始流動(dòng)時(shí)箩做，硅襯底的電阻率很高，這會(huì)產(chǎn)生很高的峰值電壓妥畏，在使用T2550-12G進(jìn)行的試驗(yàn)中邦邦，這個(gè)峰值電壓為11.6 V，如圖3所示醉蚁。

在雙向晶閘管導(dǎo)通后燃辖，晶閘管硅結(jié)構(gòu)的頂部和底部P-N結(jié)將向襯底注入少數(shù)載流子鬼店，在注入過程中，襯底電阻率降低黔龟，通態(tài)電壓降至大約1-1.5 V妇智。

這個(gè)現(xiàn)象與PIN二極管上出現(xiàn)峰值電壓降和導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)高電流上升速率是同一現(xiàn)象，這也是PIN二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)提供VFP 峰壓的原因氏身。該參數(shù)大小取決于所施加的電壓上升速率dI/dt巍棱，如果頻率很高，則峰壓值將影響應(yīng)用能效爱亡。對(duì)于混合式繼電器應(yīng)用穴你，該VFP 電壓只在混合繼電器關(guān)斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)評(píng)測(cè)功率損耗時(shí)無需考慮這個(gè)參數(shù)泊铸。

還應(yīng)指出的是撒殷，因?yàn)閷?dǎo)致VFP現(xiàn)象的原因是注入少數(shù)載流子調(diào)整襯底電阻率需要時(shí)間，所以敢智，與800V的雙向晶閘管(例如杏县，T2550-8)相比，1200V雙向晶閘管的VFP電壓更高晚号，所以必須精心挑選晶閘管對(duì)耐受電壓的要求戳橱，因?yàn)殡妷涸Ａ窟^大將產(chǎn)生更高的導(dǎo)通峰壓。

雖然脈沖電壓器峰壓測(cè)量值高于光耦雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的峰壓測(cè)量值殃忠，但是EMI電磁干擾降低了了奋，因?yàn)榉鍓含F(xiàn)象每周期只出現(xiàn)一次，即混合繼電器每關(guān)斷一次才出現(xiàn)一次趾始，且持續(xù)時(shí)間僅幾微秒秉馏，所以，即使尺寸大脱羡，釹鐵芯昂貴萝究，成本高，脈沖變壓器仍然是首選驅(qū)動(dòng)解決方案锉罐。

圖3： 混合繼電器關(guān)斷(a) – 雙向晶閘管導(dǎo)通放大圖 (b)

3. 降低VFP 峰壓的小貼士

在控制電路設(shè)計(jì)中采納幾個(gè)簡單的小貼士帆竹，有助于降低混合繼電器的VFP現(xiàn)象。

最有實(shí)效的小貼士是控制繼電器在負(fù)電流導(dǎo)通時(shí)關(guān)斷脓规。事實(shí)上栽连，相對(duì)于正電流，負(fù)電流時(shí)VFP更低侨舆。圖4所示的VFP電壓測(cè)試條件與圖3.b的VFP電壓測(cè)試條件相同秒紧，只是正電流改為負(fù)電流。從圖中不難看出挨下，VFP電壓降了二分之一熔恢，從正電流的11.6V降至負(fù)電流的5.5V脐湾。負(fù)電流VFP電壓低的原因是，硅結(jié)構(gòu)在第3象限導(dǎo)通比在第2象限(正A2-A1電壓和負(fù)柵電流)更容易绩聘。

圖4： 負(fù)關(guān)斷電流時(shí)的VFP

第二個(gè)小貼士是提高雙向晶閘管的柵極電流董翻。以T2550-12G雙向晶閘管為例圾董，特別是對(duì)于正關(guān)斷電流钱淳，當(dāng)施加的柵極電流從額定的IGT 電流 (僅50 mA)提升到100 mA時(shí)，VFP 電壓可以降低二分之一甚至三分之二几谐。

另一個(gè)降低VFP 電壓的解決方案是設(shè)法在電流過零時(shí)關(guān)斷繼電器恳瞄。事實(shí)上，限制關(guān)斷電流還能限制在雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)施加的dIT/dt電流上升速率坊欢。當(dāng)然漩践，要想實(shí)現(xiàn)這種解決方案，必須選擇關(guān)斷時(shí)間小于幾毫秒的機(jī)電式繼電器甥归。

給雙向晶閘管串聯(lián)一個(gè)電感也能降低dIT/dt參數(shù)肝唁，但是這里不建議縮短機(jī)電繼電器與雙向晶閘管之間的PCB跡線。

結(jié)論：

現(xiàn)在卑保，混合繼電器被家電和系統(tǒng)廠商用于延長交流開關(guān)的壽命处冰，設(shè)計(jì)尺寸緊湊的控制開關(guān)。

本文分析了尖峰電壓產(chǎn)生的原因天俺，并提出了相應(yīng)的降低電壓的解決方案赞辩，例如，在負(fù)電流導(dǎo)通時(shí)關(guān)斷繼電器授艰，在雙向晶閘柵極施加直流或更大電流辨嗽，或者給雙向晶閘管串聯(lián)一個(gè)電感。

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