在電機啟動器和取暖系統(tǒng)中實現(xiàn)具有機械電子雙重優(yōu)點的繼電器

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(dǎo)體繼電器)與機電繼電器并聯(lián)在一起組成的電源開關(guān)，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(guān)是繼電器的常用應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于符合RoHS法規(guī)可能會降低機電繼電器電源開關(guān)的可靠性，混合式繼電器的市場關(guān)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(shè)計小貼士。

1.集固體技術(shù)和機電技術(shù)之大成

在選擇交流開關(guān)時，設(shè)計人員非常熟知機電開關(guān)和固體開關(guān)的優(yōu)點和缺點。半導(dǎo)體開關(guān)即固體開關(guān)的響應(yīng)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(guān)的主要優(yōu)點是導(dǎo)通損耗小，能夠為2 A RMS以上的應(yīng)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(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(shè)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(guān)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(guān)。

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(dǎo)通順序:

- 首先，三端雙向晶閘管導(dǎo)通(如果電流更大，應(yīng)改用兩個反極性并聯(lián)的可控硅整流管)，這準(zhǔn)許負載零壓導(dǎo)通;

- 然后，繼電器在一個或幾個交流電周期后導(dǎo)通。繼電器的導(dǎo)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(yīng)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(guān)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(guān)斷順序:

- 首先，三端雙向晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)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(guān)斷。繼電器的關(guān)斷電壓極低，類似于繼電器導(dǎo)通操作。因此，火花期被縮短。

- 最后，應(yīng)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(guān)斷，混合式繼電器在零電流時關(guān)斷。

在近乎零壓時關(guān)斷機電式繼電器的設(shè)計方法可將繼電器壽命延長10倍，如果開關(guān)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(dǎo)通還準(zhǔn)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(dǎo)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(zhǔn)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(fēng)機、電動工具、空氣壓縮機等設(shè)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(yīng)用中十分常見，不過也可用于最高250 kW的電機應(yīng)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(shè)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(zé)定義加熱功率，類似于脈沖調(diào)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(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(yīng)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(shè)計師期待使用光耦或脈沖變壓器設(shè)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(dāng)光耦雙向晶閘管激活時(即當(dāng)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(dāng)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(dāng)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?xùn)艠O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(dǎo)通壓降接近1V或1.5V，然而低于光耦雙向晶閘管和G-A1結(jié)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(dāng)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(guān)斷。

在雙向晶閘管關(guān)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(shè)光耦雙向晶閘管和G-A1結(jié)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(dǎo)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(jié)溫降低而升高，所以，如果結(jié)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限。需要說明的是，這一噪聲只有當(dāng)雙向晶閘管導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取決于斷續(xù)騷擾的重復(fù)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(yīng)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(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)通(整個電流仍然流經(jīng)機電繼電器)，當(dāng)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(dǎo)通后，晶閘管硅結(jié)構(gòu)的頂部和底部P-N結(jié)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(dǎo)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(yīng)用能效。對于混合式繼電器應(yīng)用，該VFP 電壓只在混合繼電器關(guān)斷時才會出現(xiàn)，當(dāng)評測功率損耗時無需考慮這個參數(shù)。

還應(yīng)指出的是，因為導(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(guān)斷(a) – 雙向晶閘管導(dǎo)通放大圖 (b)

3. 降低VFP 峰壓的小貼士

在控制電路設(shè)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(dǎo)通時關(guān)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(jié)構(gòu)在第3象限導(dǎo)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(guān)斷電流，當(dāng)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(shè)法在電流過零時關(guān)斷繼電器。事實上，限制關(guān)斷電流還能限制在雙向晶閘管導(dǎo)通時施加的dIT/dt電流上升速率。當(dāng)然，要想實現(xiàn)這種解決方案，必須選擇關(guān)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(jié)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(guān)的壽命，設(shè)計尺寸緊湊的控制開關(guān)。

本文分析了尖峰電壓產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的降低電壓的解決方案，例如，在負電流導(dǎo)通時關(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)一個電感。