前言

　　混合式繼電器是靜態(tài)繼電器（又稱固體繼電器、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關，兼?zhèn)錂C電繼電器的低電壓降和固體繼電器的高可靠性。家電電機啟動器或家用電暖氣的控制開關是繼電器的常用應用領域。鑒于符合RoHS法規(guī)可能會降低機電繼電器電源開關的可靠性，混合式繼電器的市場關注度越來越高。

　　但是，正確控制混合式繼電器遠不像乍看起來那么容易，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。本文提供幾個容易實現(xiàn)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．集固體技術和機電技術之大成

　　在選擇交流開關時，設計人員非常熟知機電開關和固體開關的優(yōu)點和缺點。半導體開關即固體開關的響應速度快，通電時無電壓反彈，斷電時無火花，不會輻射電磁干擾（EMI），也不會縮短繼電器的產(chǎn)品壽命。機電式開關的主要優(yōu)點是導通損耗小，能夠為2  A RMS以上的應用系統(tǒng)省去一個散熱器，驅(qū)動線圈與電源接線端子之間的電隔離還節(jié)省了驅(qū)動可控制硅（SCR）整流管或三端雙向晶閘管的光耦合器。

　　第三個電源開關解決方案是將固體繼電器和機電繼電器并聯(lián)，集兩種繼電器技術之大成，設計一個混合式繼電器（HR）。圖1所示是電機啟動器所使用的混合繼電器拓撲。圖中的三相電機啟動器只使用兩個混合式繼電器。如果兩個繼電器都被關斷，只要負載沒有連接零線，電機就會保持斷態(tài)。

　　如果負載連接零線，也可以在L1線上串聯(lián)一個混合式繼電器開關。

　　圖1： 左圖）基于混合式繼電器的電機啟動器； 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，繼電器在一個或幾個交流電周期后導通。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，應在繼電器線圈上電至少1至2個周期后撤消雙向晶閘管柵電流，為繼電器在雙向晶閘管關斷前開始運行提供充足的時間。因此，在穩(wěn)態(tài)過程中負載電流只流經(jīng)機電繼電器。

　　-關斷順序：

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

　　- 然后，繼電器在幾毫秒后關斷。繼電器的關斷電壓極低，類似于繼電器導通操作。因此，火花期被縮短。

　　- 最后，應在繼電器線圈掉電至少1至2個周期后撤消雙向晶閘管柵電流，雙向晶閘管關斷，混合式繼電器在零電流時關斷。

　　在近乎零壓時關斷機電式繼電器的設計方法可將繼電器壽命延長10倍，如果開關操作是直流電流或電壓，繼電器的壽命延長不只是10倍，可能更高。

　　最重要的是，因為RoHS行業(yè)法規(guī)（2002/95/EC）將于2016年7月起禁用鎘物質(zhì)，觸點防銹和觸點焊接工藝使用的銀氧化鎘可能會被Ag-ZnO或Ag-SnO2替代，在這種情況下，除非使用更大的觸點，否則觸點壽命將會縮短。

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

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

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

　　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完成。脈沖串或周期跳躍式控制原理的實質(zhì)是使負載保持N個周期的通態(tài)和K個周期的斷態(tài)，“N/K”比負責定義加熱功率，類似于脈沖調(diào)制控制技術中的占空比。這里的控制頻率小于25-30  Hz，但是，相對于取暖系統(tǒng)的時間常量，這個速度已經(jīng)夠用。

　　2． EMI噪聲源

　　三端雙向晶閘管的驅(qū)動方法雖然有多種，但是，行業(yè)法規(guī)要求在取暖應用中必須使用電隔離控制電路。如圖1所示，兩個雙向晶閘管沒有共用同一個參考電壓，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所示是一個光耦雙向晶閘管驅(qū)動電路。當光耦雙向晶閘管激活時（即當微控制器的I/O引腳置高電平時），通過電阻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和接線端子A1之間，用于阻止每當施加瞬變電壓時光耦雙向晶閘管電容器產(chǎn)生的電流。每當電流過零時，該控制電路都會產(chǎn)生一個尖峰電壓（如圖2所示），即使在光耦雙向晶閘管內(nèi)置電壓過零電路，仍就會產(chǎn)生尖峰電壓。

　　圖 2：左圖） 光耦驅(qū)動電路，右圖）電流過零尖峰電壓

　　事實上，在一個光耦雙向晶閘管驅(qū)動電路內(nèi)，要想施加柵極電流，雙向晶閘管A1和接線端子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（兩個電路的電壓降都高于1V），所以還不足以驅(qū)動電流經(jīng)過柵極。每當負載電流為零時，因為沒有電流施加到柵級，所以雙向晶閘管關斷。

　　在雙向晶閘管關斷后，線路電壓回加到接線端子上，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，這個電壓值將會產(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 電壓值可能會更高，因為IGT隨著結溫降低而升高，所以，如果結溫降低，VTPeak  電壓值也可能會提高。

　　因為VTPeak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，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家電和電動工具電磁干擾輻射標準規(guī)定的上限。需要說明的是，這一噪聲只有當雙向晶閘管導通時才會出現(xiàn)。只要繼電器將光耦電路旁通，該噪聲也就自動消失。這種斷續(xù)騷擾是否適用EN  55014-1標準規(guī)定，取決于斷續(xù)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長。

　　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。增加一個整流器全橋和一個電容器，以修平變壓器二次側(cè)整流電壓，這種方法可讓直流驅(qū)動雙向晶閘管柵極。因此，電流每次過零時都不會再有尖峰電壓發(fā)生。但是，在導通過程中，從機電式繼電器切換到雙向晶閘管時，仍然有騷擾噪聲出現(xiàn)，不過，這種切換好在只發(fā)生在在混合繼電器關斷過程中。圖3所示是切換期間發(fā)生的尖峰電壓。這個尖峰電壓恰好發(fā)生在雙向晶閘管導通時，也就是整個負載電流從繼電器突然轉(zhuǎn)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)但沒有導通（整個電流仍然流經(jīng)機電繼電器），當電流開始流動時，硅襯底的電阻率很高，這會產(chǎn)生很高的峰值電壓，在使用T2550-12G進行的試驗中，這個峰值電壓為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(shù)載流子，在注入過程中，襯底電阻率降低，通態(tài)電壓降至大約1-1.5 V。

　　這個現(xiàn)象與PIN二極管上出現(xiàn)峰值電壓降和導通時出現(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)手冊提供VFP  峰壓的原因。該參數(shù)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斷時才會出現(xiàn)，當評測功率損耗時無需考慮這個參數(shù)。

　　還應指出的是，因為導致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(qū)動電路的峰壓測量值，但是EMI電磁干擾降低了，因為峰壓現(xiàn)象每周期只出現(xiàn)一次，即混合繼電器每關斷一次才出現(xiàn)一次，且持續(xù)時間僅幾微秒，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(qū)動解決方案。

　　圖3： 混合繼電器關斷（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簡單的小貼士，有助于降低混合繼電器的VFP現(xiàn)象。

　　最有實效的小貼士是控制繼電器在負電流導通時關斷。事實上，相對于正電流，負電流時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： 負關斷電流時的VFP

　　第二個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，VFP 電壓可以降低二分之一甚至三分之二。

　　另一個降低VFP  電壓的解決方案是設法在電流過零時關斷繼電器。事實上，限制關斷電流還能限制在雙向晶閘管導通時施加的dIT/dt電流上升速率。當然，要想實現(xiàn)這種解決方案，必須選擇關斷時間小于幾毫秒的機電式繼電器。

　　給雙向晶閘管串聯(lián)一個電感也能降低dIT/dt參數(shù)，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。

　　結論：

　　現(xiàn)在，混合繼電器被家電和系統(tǒng)廠商用于延長交流開關的壽命，設計尺寸緊湊的控制開關。

　　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，在負電流導通時關斷繼電器，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)一個電感。