為電機啟動(dòng)器和加熱系統設計一個(gè)兼具機械和硅技術(shù)雙重優(yōu)勢的繼電器

　　前言

　　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(kāi)關(guān)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(dòng)器或加熱器控制功能。歐盟RoHS指令可能會(huì )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(chǎng)的青睞。

　　正確控制混合式繼電器，看起來(lái)容易，做起來(lái)難。例如，在機械開(kāi)關(guān)和半導體開(kāi)關(guān)相互轉換過(guò)程中可能會(huì )產(chǎn)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(gè)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)時(shí)，固態(tài)繼電器和機械繼電器各有優(yōu)缺點(diǎn)。半導體固態(tài)繼電器響應速度快，導通無(wú)電壓反彈，關(guān)斷無(wú)電弧，電壓反彈或電弧將會(huì )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(diǎn)是導通損耗小，2 A RMS以上應用無(wú)需使用散熱器;驅動(dòng)線(xiàn)圈與電源接線(xiàn)端子之間隔離，無(wú)需通過(guò)光耦合器驅動(dòng)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(gè)兼備這兩種技術(shù)優(yōu)勢的混合式繼電器(簡(jiǎn)稱(chēng)HR)。圖1所示是電機啟動(dòng)器內的混合式繼電器拓撲，這個(gè)三相電機啟動(dòng)器只需要兩個(gè)混合式繼電器，如果兩個(gè)繼電器都是關(guān)斷狀態(tài)，只要電機中性線(xiàn)沒(méi)有連接，電機就會(huì )保持關(guān)斷狀態(tài)。如果負載連接了中性線(xiàn)，還可以在線(xiàn) L1上串聯(lián)一個(gè)混合式繼電器。

　　圖 1: 左)基于混合式繼電器的電機啟動(dòng)器;右)繼電器/雙向可控硅控制序列

　　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(gè)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(gè)或數個(gè)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(xiàn)圈電流一到兩個(gè)周期后，撤去雙向可控硅柵電流，為繼電器在雙向可控硅關(guān)斷前吸合提供充足的時(shí)間。因此，穩態(tài)負載電流只流經(jīng)機械繼電器。

　　-關(guān)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(jīng)機械繼電器。

　　- 2. 幾毫秒后繼電器關(guān)閉。像繼電器接通一樣，關(guān)閉電壓同樣極低。因此，電弧時(shí)間被縮短。

　　- 3.在撤去繼電器線(xiàn)圈電流一個(gè)到兩個(gè)周期后，再撤去雙向可控硅柵電流，雙向可控硅關(guān)斷?；旌鲜嚼^電器在零電流時(shí)關(guān)斷。

　　繼電器在近零電壓時(shí)關(guān)閉，可提高繼電器使用壽命十倍。如果是直流電流或電壓關(guān)斷，這個(gè)數字還能再高些。

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

　　零壓導通技術(shù)還準許使用容性負載來(lái)降低涌流，容性負載包括燈具電子鎮流器和內置補償電容或逆變器的熒光燈具。這項技術(shù)有助于延長(cháng)電容器的使用壽命，避免市電電壓不穩問(wèn)題。此外，固態(tài)繼電器技術(shù)支持漸進(jìn)式軟啟動(dòng)或軟停止。電機轉速平穩升降可降低機械系統磨損，防止泵、風(fēng)扇、電動(dòng)工具和壓縮機損壞。例如，管道系統中的水擊現象就會(huì )消失，V型傳送帶打滑現象不會(huì )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。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(gè)周期，關(guān)閉負載“K”個(gè)周期。像脈寬調制控制技術(shù)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，對于加熱系統的時(shí)間常量來(lái)說(shuō)，這個(gè)頻率已經(jīng)足夠快了。

　　2/ EMI噪聲源

　　驅動(dòng)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(gè)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(gè)電路的工作方式不同，產(chǎn)生的EMI噪聲也不相同。

　　圖 2 所示是一個(gè)光耦雙向可控硅驅動(dòng)電路。當光耦雙向可控硅LED激活時(shí)(即當微控制器I/O引腳置于高邊時(shí))，通過(guò)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(chǎn)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(gè)電流過(guò)零點(diǎn)(如圖2所示)上產(chǎn)生峰值電壓，即便光耦雙向可控硅內置電壓過(guò)零電路也是如此。

　　圖2：左)光耦雙向可控硅驅動(dòng)電路;右)電流過(guò)零尖峰電壓

　　事實(shí)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(shí)的電壓降接近1V或1.5 V，這個(gè)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(guò)零點(diǎn)時(shí)，沒(méi)有電流施加到柵極，雙向可控硅關(guān)斷。

　　當雙向可控硅關(guān)斷時(shí)，線(xiàn)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(shí)驗使用了一個(gè)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(guò)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(gè)實(shí)驗使用一個(gè)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(gè)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(huì )更高。因為IGT 值隨著(zhù)溫度降低而升高，如果雙向可控硅的結溫較低， VTPeak 電壓將會(huì )更高。

　　因為VTPeak電壓的頻率是線(xiàn)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(dòng)工具標準規定的輻射限制。還應指出地是，這個(gè)噪聲只在雙向可控硅導通時(shí)才會(huì )出現。只要繞過(guò)繼電器，噪聲就會(huì )消失。EN 55014-1斷續干擾限制規定與反復率(或“click”)有關(guān)，即混合式繼電器的工作頻率和干擾時(shí)長(cháng)。

　　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(gè)整流全橋和一個(gè)電容器，用于修平整流電壓，為驅動(dòng)雙向可控硅柵極提供直流電流。因此，在電流過(guò)零點(diǎn)不再有尖峰電壓，不過(guò)，當導通狀態(tài)從機電繼電器轉換到雙向可控硅時(shí)，還會(huì )發(fā)生電磁干擾。只有在混合式繼電器關(guān)閉時(shí)才會(huì )發(fā)生導通轉換。圖 3.a描述了這個(gè)階段發(fā)生的尖峰電壓;時(shí)間恰好是在雙向可控硅導通時(shí)，整個(gè)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(guò)程的放大圖。dIT/t速率接近8 A/µs。雙向可控硅被觸發(fā)時(shí)還沒(méi)有導通(因為全部電流還是流經(jīng)機械繼電器)，當電流開(kāi)始流經(jīng)可控硅時(shí)，硅襯底具有很高的電阻。高電阻將會(huì )產(chǎn)生高峰值電壓，在圖3使用T2550-12G進(jìn)行的實(shí)驗中，該峰壓為11.6 V。

　　在雙向可控硅開(kāi)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(huì )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(shí)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(guān)，如果是高頻開(kāi)關(guān)應用，該參數將會(huì )影響能效。在混合式繼電器中，VFP 電壓只在繼電器關(guān)閉時(shí)才會(huì )出現，計算功率損耗時(shí)無(wú)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(shí)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(guò)高的余量將會(huì )導致雙向可控硅導通時(shí)峰壓較高。

　　雖然峰壓實(shí)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(guān)閉時(shí)每周期出現一次，且持續時(shí)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(gè)原因，脈沖變壓器驅動(dòng)電路依然是首選。

　　圖3：混合式繼電器關(guān)閉(a) – 接通時(shí)的放大圖(b)

　　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(gè)簡(jiǎn)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(guān)閉。事實(shí)上，負電流時(shí)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(shí)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)。

　　圖4：負開(kāi)關(guān)電流時(shí)的VFP。

　　第二個(gè)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(shí)，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(kāi)關(guān)電流的情況。

　　另一個(gè)降低VFP 電壓的解決辦法是在電流過(guò)零點(diǎn)附近釋放繼電器。事實(shí)上，限制開(kāi)關(guān)電流也會(huì )限制雙向可控硅導通時(shí)施加的dIT/dt電流上升速率。當然，實(shí)現這樣一個(gè)解決方案，必須選擇關(guān)斷時(shí)間僅幾毫秒的機械繼電器。

　　給雙向可控硅串聯(lián)的一個(gè)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(xiàn)設計。

　　結論

　　混合式繼電器的普及率不斷提高，使用壽命長(cháng)，尺寸緊湊，正好符合開(kāi)關(guān)柜的需求。本文解釋了尖峰電壓產(chǎn)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(shí)關(guān)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(gè)電感器。