为电机启动器和加热系统设计一个兼具机械和硅技术双重优势的继电器-原理图|技术方案

混合式继电器是将静态继电器和机械继电器并联在一起构成的开关元件，兼具机械继电器的低压降与硅器件的可靠性，常用于电器设备的电机启动器或加热器控制功能。欧盟RoHS指令可能会影响到机械继电器的工作可靠性，因此，混合式继电器日益受到市场的青睐。

正确控制混合式继电器，看起来容易，做起来难。例如，在机械开关和半导体开关相互转换过程中可能会产生尖峰电压，引起电磁噪声辐射。为了有效降低尖峰电压，本文将探讨几个简易的控制电路设计技巧。

1/ 整合固态继电器与机械继电器的双重优势

当选择交流开关时，固态继电器和机械继电器各有优缺点。半导体固态继电器响应速度快，导通无电压反弹，关断无电弧，电压反弹或电弧将会造成电磁干扰(EMI)辐射，缩短继电器的使用寿命。机械继电器的主要优点是导通损耗小，2 A RMS以上应用无需使用散热器；驱动线圈与电源接线端子之间隔离，无需通过光耦合器驱动可控硅整流管(SCR)或双向可控硅。

第三种继电器是将固态继电器与机械继电器并联，形成一个兼备这两种技术优势的混合式继电器(简称HR)。图1所示是电机启动器内的混合式继电器拓扑，这个三相电机启动器只需要两个混合式继电器，如果两个继电器都是关断状态，只要电机中性线没有连接，电机就会保持关断状态。如果负载连接了中性线，还可以在线 L1上串联一个混合式继电器。

图 1: 左)基于混合式继电器的电机启动器；右)继电器/双向可控硅控制序列

图1还描述了混合式继电器的控制序列:

-接通序列:

-1.双向可控硅(在大电流应用中，使用两个反极性并联的可控硅整流管)导通，负载零电压接通。

-2.在一个或数个市电周期后，继电器接通。继电器的接通电压极低（通常是1-2V，恰好是双向可控硅的通态压降）。

-3.在施加继电器线圈电流一到两个周期后，撤去双向可控硅栅电流，为继电器在双向可控硅关断前吸合提供充足的时间。因此，稳态负载电流只流经机械继电器。

-关闭序列:

-1.双向可控硅导通。因为继电器还在接通状态，所以负载电流主要流经机械继电器。

-2. 几毫秒后继电器关闭。像继电器接通一样，关闭电压同样极低。因此，电弧时间被缩短。

-3.在撤去继电器线圈电流一个到两个周期后，再撤去双向可控硅栅电流，双向可控硅关断。混合式继电器在零电流时关断。

继电器在近零电压时关闭，可提高继电器使用寿命十倍。如果是直流电流或电压关断，这个数字还能再高些。

更重要地是，因为欧盟RoHS指令(2002/95/EC)关于豁免镉限制使用的规定将于2016年到期，触点防锈和触点焊接所用的银-氧化镉合金将会被银氧化锌或银氧化锡替代。除非使用面积更大的触点，否则这些触点的使用寿命将会缩短。

零压导通技术还准许使用容性负载来降低涌流，容性负载包括灯具电子镇流器和内置补偿电容或逆变器的荧光灯具。这项技术有助于延长电容器的使用寿命，避免市电电压不稳问题。此外，固态继电器技术支持渐进式软启动或软停止。电机转速平稳升降可降低机械系统磨损，防止泵、风扇、电动工具和压缩机损坏。例如，管道系统中的水击现象就会消失，V型传送带打滑现象不会再出现。

这种混合式继电器常用于4-15 kW的设备，最高应用功率可达250kW。

此外，混合式继电器还可用于加热系统。脉冲控制器通常被用于设定加热功率或室温/水温。脉冲或周期跳跃模式控制方法是接通负载 ”N”个周期，关闭负载“K”个周期。像脉宽调制控制技术中的占空比一样，“N/K”周期比用于设定加热功率，虽然控制频率小于25-30 Hz，但是，对于加热系统的时间常量来说，这个频率已经足够快了。

2/ EMI噪声源

驱动双向可控硅有很多控制电路可以考虑，前提是隔离电路。图1中的两个双向可控硅的参考电压不同，所以隔离控制电路应该使用光耦双向可控硅或脉冲变压器。两个电路的工作方式不同，产生的EMI噪声也不相同。

图 2 所示是一个光耦双向可控硅驱动电路。当光耦双向可控硅LED激活时（即当微控制器I/O引脚置于高边时），通过R1施加双向可控硅栅极电流。电阻R2连接在双向可控硅G与A1端子之间，用于分流瞬变电压在光耦双向可控硅寄生电容上产生的电流。通常使用50-100欧姆的电阻器。

该电路的工作原理是在每个电流过零点（如图2所示）上产生峰值电压，即便光耦双向可控硅内置电压过零电路也是如此。

图2：左)光耦双向可控硅驱动电路；右)电流过零尖峰电压

事实上，在光耦双向可控硅电路内，双向可控硅的 A1和 A2端子之间必须有电压，才能向栅极上施加电流。双向可控硅导通时的电压降接近1V或1.5 V，这个压降值不足以向栅极施加电流，因为该压降小于光耦双向可控硅压降与G-A1结压降之和（两者的压降都高于1V)。因此，每当负载电流过零点时，没有电流施加到栅极，双向可控硅关断。

当双向可控硅关断时，线路电压施加在双向可控硅的端子上，该电压必须将VTPeak 电压提高到足够高，才能使施加的栅极电流达到双向可控硅IGT电流值。

图2实验使用了一个T2550-12G双向可控硅(25 A，1200 V，50 mA IGT)，最高峰值电压等于7.5 V(在负电压转换过程中)。假设 G-A1结和光耦双向可控硅的典型压降分别为0.8 V和1.1 V，这个实验使用一个200欧姆电阻器R1取得28 mA栅极电流。对于我们所用样品，这个电流是第三象限(负电压VT 和负栅极电流)导通所需的电流IGT。

如果样品的IGT电流接近最大指定值(50 mA)，VTPeak 电压将会更高。因为IGT 值随着温度降低而升高，如果双向可控硅的结温较低， VTPeak 电压将会更高。

因为VTPeak电压的频率是线路电压频率的两倍(若市电50 Hz ，则该电压频率是100 Hz)，其EMI噪声辐射超出了EN 55014-1电器设备和电动工具标准规定的辐射限制。还应指出地是，这个噪声只在双向可控硅导通时才会出现。只要绕过继电器，噪声就会消失。EN 55014-1断续干扰限制规定与反复率(或“click”)有关，即混合式继电器的工作频率和干扰时长。

为避免这些电压峰值，在光耦双向可控硅与脉冲变压器之间优先选择脉冲变压器。在变压器二次侧增加一个整流全桥和一个电容器，用于修平整流电压，为驱动双向可控硅栅极提供直流电流。因此，在电流过零点不再有尖峰电压，不过，当导通状态从机电继电器转换到双向可控硅时，还会发生电磁干扰。只有在混合式继电器关闭时才会发生导通转换。图 3.a描述了这个阶段发生的尖峰电压；时间恰好是在双向可控硅导通时，整个负载电流从继电器突然切换到双向可控硅。图 3.b图所示是双向可控硅上电流上升过程的放大图。dIT/t速率接近8 A/µs。双向可控硅被触发时还没有导通（因为全部电流还是流经机械继电器），当电流开始流经可控硅时，硅衬底具有很高的电阻。高电阻将会产生高峰值电压，在图3使用T2550-12G进行的实验中，该峰压为11.6 V。

在双向可控硅开始导通后，其硅结构的正反面P-N结将向硅衬底注入少数载流子，这会降低衬底的电阻，将通态电压降至约1V-1.5 V。

这种现象与PIN二极管上的峰值压降现象相同，导通时电流上升速率高，所以PIN二极管数据手册给出VFP 峰压，该参数大小与适用的dI/dt参数有关，如果是高频开关应用，该参数将会影响能效。在混合式继电器中，VFP 电压只在继电器关闭时才会出现，计算功率损耗时无需考虑。

还应注意地是，既然VFP 现象是因注入少数载流子以控制衬底电阻所用时间造成的，1200V的双向可控硅的VFP高于800V解决方案的VFP，例如，T2550-8。因此，必须精心挑选器件所能承受的VFP电压，因为过高的余量将会导致双向可控硅导通时峰压较高。

虽然峰压实际测量值高于在光耦双向可控硅电路上测量到的峰压，但是，因为这种现象只是在混合式继电器关闭时每周期出现一次，且持续时间只有几毫秒，所以，EMI电磁干扰还是降低了。尽管脉冲变压器使用昂贵的铁氧磁芯，体积大，成本高，考虑到这个原因，脉冲变压器驱动电路依然是首选。

图3：混合式继电器关闭(a) – 接通时的放大图(b)

3/降低VFP 峰压的技巧

为减少混合式继电器上的VFP 现象，在控制电路上可以考虑几个简单的设计技巧。

效果最好的办法是控制继电器在负电流导通期间关闭。事实上，负电流时VFP 现象较低。图4所示是在与图3 b 相同的测试条件下测量到的VFP电压，唯一区别是负电流。不难看出，VFP 电压降低二分之一，从正电流的11.6 V降至现在的5.5 V。负电流时VFP 降低是因为硅结构在第三象限比在第二象限容易导通，(A2-A1正电压和栅极负电流)。

图4：负开关电流时的VFP。

第二个技巧是提高双向可控硅栅极电流。例如，当施加100 mA栅极电流，而不是指定的IGT 电流(50 mA)时，T2550-12G双向可控硅VFP电压降低二分之一或三分之一，特别是正开关电流的情况。

另一个降低VFP 电压的解决办法是在电流过零点附近释放继电器。事实上，限制开关电流也会限制双向可控硅导通时施加的dIT/dt电流上升速率。当然，实现这样一个解决方案，必须选择关断时间仅几毫秒的机械继电器。

给双向可控硅串联的一个电感器，也可以降低dIT/dt上升速率。这里不建议机械继电器与双向可控硅之间采用短PCB迹线设计。

结论

混合式继电器的普及率不断提高，使用寿命长，尺寸紧凑，正好符合开关柜的需求。本文解释了尖峰电压产生的原因，并讨论了降低尖峰电压的解决方法，例如，在负电流导通时关断继电器，在栅极施加更大的直流电流，给双向可控硅串联一个电感器。

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