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)在一起構成的開關元件，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器或加熱器控制功能,。歐盟RoHS指令可能會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的青睞,。
正確控制混合式繼電器,，看起來容易,，做起來難,。例如,，在機械開關和半導體開關相互轉換過程中可能會產(chǎn)生尖峰電壓，引起電磁噪聲輻射,。為了有效降低尖峰電壓,，本文將探討幾個簡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
當選擇交流開關時,，固態(tài)繼電器和機械繼電器各有優(yōu)缺點,。半導體固態(tài)繼電器響應速度快，導通無電壓反彈,，關斷無電弧,，電壓反彈或電弧將會造成電磁干擾(EMI)輻射，縮短繼電器的使用壽命,。機械繼電器的主要優(yōu)點是導通損耗小,，2 A RMS以上應用無需使用散熱器；驅動線圈與電源接線端子之間隔離,，無需通過光耦合器驅動可控硅整流管(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)，形成一個兼?zhèn)溥@兩種技術優(yōu)勢的混合式繼電器(簡稱HR),。圖1所示是電機啟動器內(nèi)的混合式繼電器拓撲,，這個三相電機啟動器只需要兩個混合式繼電器，如果兩個繼電器都是關斷狀態(tài),，只要電機中性線沒有連接,，電機就會保持關斷狀態(tài)。如果負載連接了中性線,，還可以在線 L1上串聯(lián)一個混合式繼電器,。
圖 1: 左)基于混合式繼電器的電機啟動器；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.在一個或數(shù)個市電周期后,，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.在施加繼電器線圈電流一到兩個周期后,，撤去雙向可控硅柵電流，為繼電器在雙向可控硅關斷前吸合提供充足的時間,。因此,，穩(wěn)態(tài)負載電流只流經(jīng)機械繼電器。
-關閉序列:
-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. 幾毫秒后繼電器關閉,。像繼電器接通一樣,，關閉電壓同樣極低。因此,，電弧時間被縮短,。
-3.在撤去繼電器線圈電流一個到兩個周期后，再撤去雙向可控硅柵電流,，雙向可控硅關斷,。混合式繼電器在零電流時關斷,。
繼電器在近零電壓時關閉,，可提高繼電器使用壽命十倍。如果是直流電流或電壓關斷,，這個數(shù)字還能再高些,。
更重要地是，因為歐盟RoHS指令(2002/95/EC)關于豁免鎘限制使用的規(guī)定將于2016年到期,，觸點防銹和觸點焊接所用的銀-氧化鎘合金將會被銀氧化鋅或銀氧化錫替代,。除非使用面積更大的觸點，否則這些觸點的使用壽命將會縮短,。
零壓導通技術還準許使用容性負載來降低涌流,，容性負載包括燈具電子鎮(zhèn)流器和內(nèi)置補償電容或逆變器的熒光燈具。這項技術有助于延長電容器的使用壽命,，避免市電電壓不穩(wěn)問題,。此外，固態(tài)繼電器技術支持漸進式軟啟動或軟停止,。電機轉速平穩(wěn)升降可降低機械系統(tǒng)磨損,，防止泵、風扇,、電動工具和壓縮機損壞,。例如，管道系統(tǒng)中的水擊現(xiàn)象就會消失,，V型傳送帶打滑現(xiàn)象不會再出現(xiàn),。
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(tǒng),。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”個周期,，關閉負載“K”個周期,。像脈寬調制控制技術中的占空比一樣，“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(tǒng)的時間常量來說,，這個頻率已經(jīng)足夠快了,。
2/ EMI噪聲源
驅動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 所示是一個光耦雙向可控硅驅動電路。當光耦雙向可控硅LED激活時（即當微控制器I/O引腳置于高邊時）,，通過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電流過零點（如圖2所示）上產(chǎn)生峰值電壓，即便光耦雙向可控硅內(nèi)置電壓過零電路也是如此,。
圖2：左)光耦雙向可控硅驅動電路,；右)電流過零尖峰電壓
事實上，在光耦雙向可控硅電路內(nèi),，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。雙向可控硅導通時的電壓降接近1V或1.5 V,，這個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,，每當負載電流過零點時,，沒有電流施加到柵極，雙向可控硅關斷,。
當雙向可控硅關斷時,，線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實驗使用了一個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,，這個實驗使用一個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 電壓將會更高。因為IGT 值隨著溫度降低而升高,，如果雙向可控硅的結溫較低,， VTPeak 電壓將會更高。
因為VTPeak電壓的頻率是線路電壓頻率的兩倍(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電器設備和電動工具標準規(guī)定的輻射限制。還應指出地是,，這個噪聲只在雙向可控硅導通時才會出現(xiàn),。只要繞過繼電器，噪聲就會消失,。EN 55014-1斷續(xù)干擾限制規(guī)定與反復率(或“click”)有關,，即混合式繼電器的工作頻率和干擾時長。
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整流全橋和一個電容器，用于修平整流電壓,，為驅動雙向可控硅柵極提供直流電流,。因此，在電流過零點不再有尖峰電壓,，不過,，當導通狀態(tài)從機電繼電器轉換到雙向可控硅時，還會發(fā)生電磁干擾,。只有在混合式繼電器關閉時才會發(fā)生導通轉換,。圖 3.a描述了這個階段發(fā)生的尖峰電壓；時間恰好是在雙向可控硅導通時,，整個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程的放大圖,。dIT/t速率接近8 A/?s。雙向可控硅被觸發(fā)時還沒有導通（因為全部電流還是流經(jīng)機械繼電器）,，當電流開始流經(jīng)可控硅時,，硅襯底具有很高的電阻。高電阻將會產(chǎn)生高峰值電壓,，在圖3使用T2550-12G進行的實驗中,，該峰壓為11.6 V。
在雙向可控硅開始導通后,，其硅結構的正反面P-N結將向硅襯底注入少數(shù)載流子,，這會降低襯底的電阻，將通態(tài)電壓降至約1V-1.5 V,。
這種現(xiàn)象與PIN二極管上的峰值壓降現(xiàn)象相同,，導通時電流上升速率高，所以PIN二極管數(shù)據(jù)手冊給出VFP 峰壓,，該參數(shù)大小與適用的dI/dt參數(shù)有關,，如果是高頻開關應用，該參數(shù)將會影響能效,。在混合式繼電器中,，VFP 電壓只在繼電器關閉時才會出現(xiàn)，計算功率損耗時無需考慮,。
還應注意地是,，既然VFP 現(xiàn)象是因注入少數(shù)載流子以控制襯底電阻所用時間造成的，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,，因為過高的余量將會導致雙向可控硅導通時峰壓較高。
雖然峰壓實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(xiàn)象只是在混合式繼電器關閉時每周期出現(xiàn)一次，且持續(xù)時間只有幾毫秒,，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，考慮到這個原因，脈沖變壓器驅動電路依然是首選,。
圖3：混合式繼電器關閉(a) – 接通時的放大圖(b)
3/降低VFP 峰壓的技巧
為減少混合式繼電器上的VFP 現(xiàn)象,，在控制電路上可以考慮幾個簡單的設計技巧。
效果最好的辦法是控制繼電器在負電流導通期間關閉,。事實上,，負電流時VFP 現(xiàn)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(qū)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(xiàn)在的5.5 V,。負電流時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：負開關電流時的VFP,。
第二個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,，T2550-12G雙向可控硅VFP電壓降低二分之一或三分之一,，特別是正開關電流的情況。
另一個降低VFP 電壓的解決辦法是在電流過零點附近釋放繼電器,。事實上,，限制開關電流也會限制雙向可控硅導通時施加的dIT/dt電流上升速率。當然,，實現(xiàn)這樣一個解決方案,，必須選擇關斷時間僅幾毫秒的機械繼電器。
給雙向可控硅串聯(lián)的一個電感器,，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跡線設計。
結論
混合式繼電器的普及率不斷提高,，使用壽命長,，尺寸緊湊，正好符合開關柜的需求,。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,，在負電流導通時關斷繼電器,，在柵極施加更大的直流電流，給雙向可控硅串聯(lián)一個電感器,。