在電機啟動(dòng)器和取暖系統中實(shí)現具有機械電子雙重優(yōu)點(diǎn)的繼電器

前言

混合式繼電器是靜態(tài)繼電器(又稱(chēng)固體繼電器、電子繼電器或半導體繼電器)與機電繼電器并聯(lián)在一起組成的電源開(kāi)關(guān)，兼備機電繼電器的低電壓降和固體繼電器的高可靠性。家電電機啟動(dòng)器或家用電暖氣的控制開(kāi)關(guān)是繼電器的常用應用領(lǐng)域。鑒于符合RoHS法規可能會(huì )降低機電繼電器電源開(kāi)關(guān)的可靠性，混合式繼電器的市場(chǎng)關(guān)注度越來(lái)越高。

但是，正確控制混合式繼電器遠不像乍看起來(lái)那么容易，例如，機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，輻射電磁噪聲。本文提供幾個(gè)容易實(shí)現的降低混合式繼電器的尖峰電壓的控制電路設計小貼士。

1.集固體技術(shù)和機電技術(shù)之大成

在選擇交流開(kāi)關(guān)時(shí)，設計人員非常熟知機電開(kāi)關(guān)和固體開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。半導體開(kāi)關(guān)即固體開(kāi)關(guān)的響應速度快，通電時(shí)無(wú)電壓反彈，斷電時(shí)無(wú)火花，不會(huì )輻射電磁干擾(EMI)，也不會(huì )縮短繼電器的產(chǎn)品壽命。機電式開(kāi)關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)是導通損耗小，能夠為2 A RMS以上的應用系統省去一個(gè)散熱器，驅動(dòng)線(xiàn)圈與電源接線(xiàn)端子之間的電隔離還節省了驅動(dòng)可控制硅(SCR)整流管或三端雙向晶閘管的光耦合器。

第三個(gè)電源開(kāi)關(guān)解決方案是將固體繼電器和機電繼電器并聯(lián)，集兩種繼電器技術(shù)之大成，設計一個(gè)混合式繼電器(HR)。圖1所示是電機啟動(dòng)器所使用的混合繼電器拓撲。圖中的三相電機啟動(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，只要負載沒(méi)有連接零線(xiàn)，電機就會(huì )保持斷態(tài)。

如果負載連接零線(xiàn)，也可以在L1線(xiàn)上串聯(lián)一個(gè)混合式繼電器開(kāi)關(guān)。

圖1: 左圖)基于混合式繼電器的電機啟動(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:

-導通順序:

- 首先，三端雙向晶閘管導通(如果電流更大，應改用兩個(gè)反極性并聯(lián)的可控硅整流管)，這準許負載零壓導通;

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

- 最后，應在繼電器線(xiàn)圈上電至少1至2個(gè)周期后撤消雙向晶閘管柵電流，為繼電器在雙向晶閘管關(guān)斷前開(kāi)始運行提供充足的時(shí)間。因此，在穩態(tài)過(guò)程中負載電流只流經(jīng)機電繼電器。

-關(guān)斷順序:

- 首先，三端雙向晶閘管導通。當繼電器處于通態(tài)時(shí)，負載電流主要是通過(guò)機電繼電器送到電機。.

- 然后，繼電器在幾毫秒后關(guān)斷。繼電器的關(guān)斷電壓極低，類(lèi)似于繼電器導通操作。因此，火花期被縮短。

- 最后，應在繼電器線(xiàn)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，混合式繼電器在零電流時(shí)關(guān)斷。

在近乎零壓時(shí)關(guān)斷機電式繼電器的設計方法可將繼電器壽命延長(cháng)10倍，如果開(kāi)關(guān)操作是直流電流或電壓，繼電器的壽命延長(cháng)不只是10倍，可能更高。

最重要的是，因為RoHS行業(yè)法規(2002/95/EC)將于2016年7月起禁用鎘物質(zhì)，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，在這種情況下，除非使用更大的觸點(diǎn)，否則觸點(diǎn)壽命將會(huì )縮短。

零壓導通還準許使用容性負載降低涌流，例如，電子鎮流器和內置補償電容或逆變器的熒光燈管。零壓導通還有助于延長(cháng)電容的生命周期，避免交流電壓波動(dòng)。

此外，固體繼電器準許電機實(shí)現漸進(jìn)式軟件啟動(dòng)或啟停。平順的加速或減速將會(huì )降低機械系統磨損，避免電泵、風(fēng)機、電動(dòng)工具、空氣壓縮機等設備損傷。例如，運輸管道中的水錘現象將會(huì )消失，貨物傳送帶可避免V型皮帶打滑和抖動(dòng)。

混合式繼電器在4-15 kW的電機應用中十分常見(jiàn)，不過(guò)也可用于最高250 kW的電機應用系統。

混合式繼電器還用于電暖氣等取暖產(chǎn)品，加熱功率或室溫/水溫的設定通常由脈沖串控制器來(lái)完成。脈沖串或周期跳躍式控制原理的實(shí)質(zhì)是使負載保持N個(gè)周期的通態(tài)和K個(gè)周期的斷態(tài)，“N/K”比負責定義加熱功率，類(lèi)似于脈沖調制控制技術(shù)中的占空比。這里的控制頻率小于25-30 Hz，但是，相對于取暖系統的時(shí)間常量，這個(gè)速度已經(jīng)夠用。

2. EMI噪聲源

三端雙向晶閘管的驅動(dòng)方法雖然有多種，但是，行業(yè)法規要求在取暖應用中必須使用電隔離控制電路。如圖1所示，兩個(gè)雙向晶閘管沒(méi)有共用同一個(gè)參考電壓，這就是設計師期待使用光耦或脈沖變壓器設計控制電路的原因。兩個(gè)電路的工作方式不同，所產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也不盡相同。

圖2所示是一個(gè)光耦雙向晶閘管驅動(dòng)電路。當光耦雙向晶閘管激活時(shí)(即當微控制器的I/O引腳置高電平時(shí))，通過(guò)電阻R1施加雙向晶閘管柵電流。電阻R2連接在雙向晶閘管柵極G和接線(xiàn)端子A1之間，用于阻止每當施加瞬變電壓時(shí)光耦雙向晶閘管電容器產(chǎn)生的電流。每當電流過(guò)零時(shí)，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置電壓過(guò)零電路，仍就會(huì )產(chǎn)生尖峰電壓。

圖 2:左圖) 光耦驅動(dòng)電路，右圖)電流過(guò)零尖峰電壓

事實(shí)上，在一個(gè)光耦雙向晶閘管驅動(dòng)電路內，要想施加柵極電流，雙向晶閘管A1和接線(xiàn)端子A2之間必須存在電壓。雙向晶閘管導通壓降接近1V或1.5V，然而低于光耦雙向晶閘管和G-A1結的電壓降之和(兩個(gè)電路的電壓降都高于1V)，所以還不足以驅動(dòng)電流經(jīng)過(guò)柵極。每當負載電流為零時(shí)，因為沒(méi)有電流施加到柵級，所以雙向晶閘管關(guān)斷。

在雙向晶閘管關(guān)斷后，線(xiàn)路電壓回加到接線(xiàn)端子上，使電壓VTPeak升高，升幅足以使在柵極施加的電流達到雙向晶閘管的額定柵極電流IGT。在圖2所示的T2550-12G雙向晶閘管(25 A，1200 V，50 mA IGT)測試中，該電壓的最大值電壓為7.5 V (在變成負電壓過(guò)程中)。假設光耦雙向晶閘管和G-A1結的典型電壓降分別為1.1 V和0.8 V，電阻R1為200 Ohm，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象限導通所需的IGT 電流(負VT電壓和負柵電流)。

如果樣片的IGT 值接近最大額定值(50 mA)，VTPeak 電壓值可能會(huì )更高，因為IGT隨著(zhù)結溫降低而升高，所以，如果結溫降低，VTPeak 電壓值也可能會(huì )提高。

因為VTPeak電壓的出現頻率是線(xiàn)路頻率的2倍(如果交流電頻率50 Hz，VTPeak電壓出現頻率是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準規定的上限。需要說(shuō)明的是，這一噪聲只有當雙向晶閘管導通時(shí)才會(huì )出現。只要繼電器將光耦電路旁通，該噪聲也就自動(dòng)消失。這種斷續騷擾是否適用EN 55014-1標準規定，取決于斷續騷擾的重復率(或喀嚦聲)，即混合式繼電器工作頻率和騷擾時(shí)長(cháng)。

為避免這些尖峰電壓，在脈沖變壓器和光耦雙向晶閘管中，應優(yōu)選脈沖變壓器。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整流電壓，這種方法可讓直流驅動(dòng)雙向晶閘管柵極。因此，電流每次過(guò)零時(shí)都不會(huì )再有尖峰電壓發(fā)生。但是，在導通過(guò)程中，從機電式繼電器切換到雙向晶閘管時(shí)，仍然有騷擾噪聲出現，不過(guò)，這種切換好在只發(fā)生在在混合繼電器關(guān)斷過(guò)程中。圖3所示是切換期間發(fā)生的尖峰電壓。這個(gè)尖峰電壓恰好發(fā)生在雙向晶閘管導通時(shí)，也就是整個(gè)負載電流從繼電器突然轉移到雙向晶閘管期間。

圖3.b所示是流經(jīng)雙向晶閘管的電流的放大圖。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(méi)有導通(整個(gè)電流仍然流經(jīng)機電繼電器)，當電流開(kāi)始流動(dòng)時(shí)，硅襯底的電阻率很高，這會(huì )產(chǎn)生很高的峰值電壓，在使用T2550-12G進(jìn)行的試驗中，這個(gè)峰值電壓為11.6 V，如圖3所示。

在雙向晶閘管導通后，晶閘管硅結構的頂部和底部P-N結將向襯底注入少數載流子，在注入過(guò)程中，襯底電阻率降低，通態(tài)電壓降至大約1-1.5 V。

這個(gè)現象與PIN二極管上出現峰值電壓降和導通時(shí)出現高電流上升速率是同一現象，這也是PIN二極管數據手冊提供VFP 峰壓的原因。該參數大小取決于所施加的電壓上升速率dI/dt，如果頻率很高，則峰壓值將影響應用能效。對于混合式繼電器應用，該VFP 電壓只在混合繼電器關(guān)斷時(shí)才會(huì )出現，當評測功率損耗時(shí)無(wú)需考慮這個(gè)參數。

還應指出的是，因為導致VFP現象的原因是注入少數載流子調整襯底電阻率需要時(shí)間，所以，與800V的雙向晶閘管(例如，T2550-8)相比，1200V雙向晶閘管的VFP電壓更高，所以必須精心挑選晶閘管對耐受電壓的要求，因為電壓裕量過(guò)大將產(chǎn)生更高的導通峰壓。

雖然脈沖電壓器峰壓測量值高于光耦雙向晶閘管驅動(dòng)電路的峰壓測量值，但是EMI電磁干擾降低了，因為峰壓現象每周期只出現一次，即混合繼電器每關(guān)斷一次才出現一次，且持續時(shí)間僅幾微秒，所以，即使尺寸大，釹鐵芯昂貴，成本高，脈沖變壓器仍然是首選驅動(dòng)解決方案。

圖3: 混合繼電器關(guān)斷(a) – 雙向晶閘管導通放大圖 (b)

3. 降低VFP 峰壓的小貼士

在控制電路設計中采納幾個(gè)簡(jiǎn)單的小貼士，有助于降低混合繼電器的VFP現象。

最有實(shí)效的小貼士是控制繼電器在負電流導通時(shí)關(guān)斷。事實(shí)上，相對于正電流，負電流時(shí)VFP更低。圖4所示的VFP電壓測試條件與圖3.b的VFP電壓測試條件相同，只是正電流改為負電流。從圖中不難看出，VFP電壓降了二分之一，從正電流的11.6V降至負電流的5.5V。負電流VFP電壓低的原因是，硅結構在第3象限導通比在第2象限(正A2-A1電壓和負柵電流)更容易。

圖4: 負關(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。以T2550-12G雙向晶閘管為例，特別是對于正關(guān)斷電流，當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。

另一個(gè)降低VFP 電壓的解決方案是設法在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷繼電器。事實(shí)上，限制關(guān)斷電流還能限制在雙向晶閘管導通時(shí)施加的dIT/dt電流上升速率。當然，要想實(shí)現這種解決方案，必須選擇關(guān)斷時(shí)間小于幾毫秒的機電式繼電器。

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

結論：

現在，混合繼電器被家電和系統廠(chǎng)商用于延長(cháng)交流開(kāi)關(guān)的壽命，設計尺寸緊湊的控制開(kāi)關(guān)。

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