為電機啟動器和加熱系統(tǒng)設計一個兼具機械和硅技術雙重優(yōu)勢的繼電器

混合式繼電器是將靜態(tài)繼電器和機械繼電器并聯(lián)在一起構成的開關元件，兼具機械繼電器的低壓降與硅器件的可靠性，常用于電器設備的電機啟動器或加熱器控制功能。歐盟RoHS指令可能會影響到機械繼電器的工作可靠性，因此，混合式繼電器日益受到市場的青睞。

正確控制混合式繼電器，看起來容易，做起來難。例如，在機械開關和半導體開關相互轉換過程中可能會產生尖峰電壓，引起電磁噪聲輻射。為了有效降低尖峰電壓，本文將探討幾個簡易的控制電路設計技巧。

1/ 整合固態(tài)繼電器與機械繼電器的雙重優(yōu)勢

當選擇交流開關時，固態(tài)繼電器和機械繼電器各有優(yōu)缺點。半導體固態(tài)繼電器響應速度快，導通無電壓反彈，關斷無電弧，電壓反彈或電弧將會造成電磁干擾(EMI)輻射，縮短繼電器的使用壽命。機械繼電器的主要優(yōu)點是導通損耗小，2 A RMS以上應用無需使用散熱器;驅動線圈與電源接線端子之間隔離，無需通過光耦合器驅動可控硅整流管(SCR)或雙向可控硅。

第三種繼電器是將固態(tài)繼電器與機械繼電器并聯(lián)，形成一個兼?zhèn)溥@兩種技術優(yōu)勢的混合式繼電器(簡稱HR)。圖1所示是電機啟動器內的混合式繼電器拓撲，這個三相電機啟動器只需要兩個混合式繼電器，如果兩個繼電器都是關斷狀態(tài)，只要電機中性線沒有連接，電機就會保持關斷狀態(tài)。如果負載連接了中性線，還可以在線 L1上串聯(lián)一個混合式繼電器。

圖1還描述了混合式繼電器的控制序列:

-接通序列:

-1.雙向可控硅(在大電流應用中，使用兩個反極性并聯(lián)的可控硅整流管)導通，負載零電壓接通。

-2.在一個或數個市電周期后，繼電器接通。繼電器的接通電壓極低(通常是1-2V，恰好是雙向可控硅的通態(tài)壓降)。

-3.在施加繼電器線圈電流一到兩個周期后，撤去雙向可控硅柵電流，為繼電器在雙向可控硅關斷前吸合提供充足的時間。因此，穩(wěn)態(tài)負載電流只流經機械繼電器。

-關閉序列:

-1.雙向可控硅導通。因為繼電器還在接通狀態(tài)，所以負載電流主要流經機械繼電器。

-2. 幾毫秒后繼電器關閉。像繼電器接通一樣，關閉電壓同樣極低。因此，電弧時間被縮短。

-3.在撤去繼電器線圈電流一個到兩個周期后，再撤去雙向可控硅柵電流，雙向可控硅關斷。混合式繼電器在零電流時關斷。

繼電器在近零電壓時關閉，可提高繼電器使用壽命十倍。如果是直流電流或電壓關斷，這個數字還能再高些。

更重要地是，因為歐盟RoHS指令(2002/95/EC)關于豁免鎘限制使用的規(guī)定將于2016年到期，觸點防銹和觸點焊接所用的銀-氧化鎘合金將會被銀氧化鋅或銀氧化錫替代。除非使用面積更大的觸點，否則這些觸點的使用壽命將會縮短。

零壓導通技術還準許使用容性負載來降低涌流，容性負載包括燈具電子鎮(zhèn)流器和內置補償電容或逆變器的熒光燈具。這項技術有助于延長電容器的使用壽命，避免市電電壓不穩(wěn)問題。此外，固態(tài)繼電器技術支持漸進式軟啟動或軟停止。電機轉速平穩(wěn)升降可降低機械系統(tǒng)磨損，防止泵、風扇、電動工具和壓縮機損壞。例如，管道系統(tǒng)中的水擊現象就會消失，V型傳送帶打滑現象不會再出現。

這種混合式繼電器常用于4-15 kW的設備，最高應用功率可達250kW。

此外，混合式繼電器還可用于加熱系統(tǒng)。脈沖控制器通常被用于設定加熱功率或室溫/水溫。脈沖或周期跳躍模式控制方法是接通負載 ”N”個周期，關閉負載“K”個周期。像脈寬調制控制技術中的占空比一樣，“N/K”周期比用于設定加熱功率，雖然控制頻率小于25-30 Hz，但是，對于加熱系統(tǒng)的時間常量來說，這個頻率已經足夠快了。

2/ EMI噪聲源

驅動雙向可控硅有很多控制電路可以考慮，前提是隔離電路。圖1中的兩個雙向可控硅的參考電壓不同，所以隔離控制電路應該使用光耦雙向可控硅或脈沖變壓器。兩個電路的工作方式不同，產生的EMI噪聲也不相同。

圖 2 所示是一個光耦雙向可控硅驅動電路。當光耦雙向可控硅LED激活時(即當微控制器I/O引腳置于高邊時)，通過R1施加雙向可控硅柵極電流。電阻R2連接在雙向可控硅G與A1端子之間，用于分流瞬變電壓在光耦雙向可控硅寄生電容上產生的電流。通常使用50-100歐姆的電阻器。

該電路的工作原理是在每個電流過零點(如圖2所示)上產生峰值電壓，即便光耦雙向可控硅內置電壓過零電路也是如此。

事實上，在光耦雙向可控硅電路內，雙向可控硅的 A1和 A2端子之間必須有電壓，才能向柵極上施加電流。雙向可控硅導通時的電壓降接近1V或1.5 V，這個壓降值不足以向柵極施加電流，因為該壓降小于光耦雙向可控硅壓降與G-A1結壓降之和(兩者的壓降都高于1V)。因此，每當負載電流過零點時，沒有電流施加到柵極，雙向可控硅關斷。

當雙向可控硅關斷時，線路電壓施加在雙向可控硅的端子上，該電壓必須將VTPeak 電壓提高到足夠高，才能使施加的柵極電流達到雙向可控硅IGT電流值。

圖2實驗使用了一個T2550-12G雙向可控硅(25 A，1200 V，50 mA IGT)，最高峰值電壓等于7.5 V(在負電壓轉換過程中)。假設 G-A1結和光耦雙向可控硅的典型壓降分別為0.8 V和1.1 V，這個實驗使用一個200歐姆電阻器R1取得28 mA柵極電流。對于我們所用樣品，這個電流是第三象限(負電壓VT 和負柵極電流)導通所需的電流IGT。

如果樣品的IGT電流接近最大指定值(50 mA)，VTPeak 電壓將會更高。因為IGT 值隨著溫度降低而升高，如果雙向可控硅的結溫較低， VTPeak 電壓將會更高。

因為VTPeak電壓的頻率是線路電壓頻率的兩倍(若市電50 Hz ，則該電壓頻率是100 Hz)，其EMI噪聲輻射超出了EN 55014-1電器設備和電動工具標準規(guī)定的輻射限制。還應指出地是，這個噪聲只在雙向可控硅導通時才會出現。只要繞過繼電器，噪聲就會消失。EN 55014-1斷續(xù)干擾限制規(guī)定與反復率(或“click”)有關，即混合式繼電器的工作頻率和干擾時長。

為避免這些電壓峰值，在光耦雙向可控硅與脈沖變壓器之間優(yōu)先選擇脈沖變壓器。在變壓器二次側增加一個整流全橋和一個電容器，用于修平整流電壓，為驅動雙向可控硅柵極提供直流電流。因此，在電流過零點不再有尖峰電壓，不過，當導通狀態(tài)從機電繼電器轉換到雙向可控硅時，還會發(fā)生電磁干擾。只有在混合式繼電器關閉時才會發(fā)生導通轉換。圖 3.a描述了這個階段發(fā)生的尖峰電壓;時間恰好是在雙向可控硅導通時，整個負載電流從繼電器突然切換到雙向可控硅。圖 3.b圖所示是雙向可控硅上電流上升過程的放大圖。dIT/t速率接近8 A/µs。雙向可控硅被觸發(fā)時還沒有導通(因為全部電流還是流經機械繼電器)，當電流開始流經可控硅時，硅襯底具有很高的電阻。高電阻將會產生高峰值電壓，在圖3使用T2550-12G進行的實驗中，該峰壓為11.6 V。

在雙向可控硅開始導通后，其硅結構的正反面P-N結將向硅襯底注入少數載流子，這會降低襯底的電阻，將通態(tài)電壓降至約1V-1.5 V。

這種現象與PIN二極管上的峰值壓降現象相同，導通時電流上升速率高，所以PIN二極管數據手冊給出VFP 峰壓，該參數大小與適用的dI/dt參數有關，如果是高頻開關應用，該參數將會影響能效。在混合式繼電器中，VFP 電壓只在繼電器關閉時才會出現，計算功率損耗時無需考慮。

還應注意地是，既然VFP 現象是因注入少數載流子以控制襯底電阻所用時間造成的，1200V的雙向可控硅的VFP高于800V解決方案的VFP，例如，T2550-8。因此，必須精心挑選器件所能承受的VFP電壓，因為過高的余量將會導致雙向可控硅導通時峰壓較高。

雖然峰壓實際測量值高于在光耦雙向可控硅電路上測量到的峰壓，但是，因為這種現象只是在混合式繼電器關閉時每周期出現一次，且持續(xù)時間只有幾毫秒，所以，EMI電磁干擾還是降低了。盡管脈沖變壓器使用昂貴的鐵氧磁芯，體積大，成本高，考慮到這個原因，脈沖變壓器驅動電路依然是首選。

3/降低VFP 峰壓的技巧

為減少混合式繼電器上的VFP 現象，在控制電路上可以考慮幾個簡單的設計技巧。

效果最好的辦法是控制繼電器在負電流導通期間關閉。事實上，負電流時VFP 現象較低。圖4所示是在與圖3 b 相同的測試條件下測量到的VFP電壓，唯一區(qū)別是負電流。不難看出，VFP 電壓降低二分之一，從正電流的11.6 V降至現在的5.5 V。負電流時VFP 降低是因為硅結構在第三象限比在第二象限容易導通，(A2-A1正電壓和柵極負電流)。

第二個技巧是提高雙向可控硅柵極電流。例如，當施加100 mA柵極電流，而不是指定的IGT 電流(50 mA)時，T2550-12G雙向可控硅VFP電壓降低二分之一或三分之一，特別是正開關電流的情況。

另一個降低VFP 電壓的解決辦法是在電流過零點附近釋放繼電器。事實上，限制開關電流也會限制雙向可控硅導通時施加的dIT/dt電流上升速率。當然，實現這樣一個解決方案，必須選擇關斷時間僅幾毫秒的機械繼電器。

給雙向可控硅串聯(lián)的一個電感器，也可以降低dIT/dt上升速率。這里不建議機械繼電器與雙向可控硅之間采用短PCB跡線設計。

結論

混合式繼電器的普及率不斷提高，使用壽命長，尺寸緊湊，正好符合開關柜的需求。本文解釋了尖峰電壓產生的原因，并討論了降低尖峰電壓的解決方法，例如，在負電流導通時關斷繼電器，在柵極施加更大的直流電流，給雙向可控硅串聯(lián)一個電感器。