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机械/矽晶片分工合作 混合继电器低噪又可靠

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度118票   时间:2017年1月19日 04:58
混合式继电器是静态继电器和机械继电器并联组合而成的开关。它将机械继电器的低电压降与矽元件的高可靠性结合起来,通常应用于家用电器。但这种继电器可能会有较高的电磁噪讯,须透过适当的控制技巧来予以防治。

混合式继电器是静态继电器和机械继电器并联组合而成的开关。它将机械继电器的低电压降与矽元件的高可靠性结合起来。通常应用于家用电器中的马达启动器,或加热器控制装置。
虽然混和式继电器的概念不难理解,但是想要实现这种混合开关的适当控制,却十分困难。例如,电压峰值可能出现在机械开关和矽开关的过渡期间,可能会发射电磁杂讯。本文会提供一些控制电路上简单操作的技巧,从而降低这种电压峰值。

机械/矽晶片技术注入 混和式继电器采并联组成

在选择一个交流电开关时,人们已经非常了解采用机械技术或矽晶片技术的优缺点。矽晶片的优势在于反应时间更快、开启时无电压反弹、关闭时不产生火花。电压反弹和火花,均会发射电磁干扰(EMI),并缩短继电器寿命周期。

机电解决方案的优势在于较低的传导损耗,其能避免使用高于约2A RMS应用的散热器。第二优势则是在于驱动线圈和功率端子之间的绝缘,其会使得任何光耦合器在驱动矽控制器(SCR)或双向控制矽(Triacs)时无效。

另一种解决方案则使用两种技术来实现混合式继电器(HR),其中一个矽晶片继电器与一个机械继电器并联。图1所示为马达启动器应用中所用的拓扑结构及开关顺序。图中,三相马达启动器仅使用两个混合式继电器,若两个继电器均处于关闭状态,只要马达的中线未连接,那么该马达仍保持关闭状态。若负载中线已连接,也可将HR并联在线路L1上。


图1  左)装有混合式继电器的马达启动器,右)继电器/双向可控矽控制顺序。
开启顺序:

-首先,开启双向可控矽(或在较高电流应用中2个互相背对的可控矽整流器)。这将以零电压接通负载。

-其次,在一个或多个电源回圈后,开启继电器。在极低的电压下开启继电器(通常1∼2V,属于双向可控矽的通态压降)。

-再者,在施加继电器线圈电流后,双向可控矽栅极电流被关断至少一到两个回圈,在双向可控矽关闭前为继电器的启动留出足够的时间。因此,在稳态下,负载电流仅通过机械继电器回圈。

关闭顺序:

-首先,开启双向可控矽。由于继电器始终保持开启,因此负载电流主要通过机械继电器回圈流动。

-其次,几毫秒后,关闭继电器。与开启类似,在极低的电压下关闭继电器。从而缩短了火花持续时间。

-再者,继电器线圈电流关断后,关断双向可控矽栅极电流至少一到两个回圈,进而关闭双向可控矽。在零电流状态下关闭混合式继电器。

在电压接近于零的条件下切换机械继电器可将其寿命周期延长十倍。若在直流电流或电压环境下进行切换,则该倍数将会更高。

在零电压条件下开启继电器,还可使涌入电流随电容性负载(如电子灯镇流器、带有补偿电容器的日光灯管或逆变器)降低。这样还有助于延长电容器的寿命周期,避免电源电压波动。

此外,矽晶片技术允许应用先进的软启动或软停止。马达加速和减速顺畅,会降低机械系统磨损,并避免对泵、风扇、工具和压缩机等应用造成损害。例如管道系统中不会出现水锤效应,输送带也较不会抖动,可避免V型皮带打滑。

这种混合式继电器启动器,通常用于功率介于4∼15kW之间的应用,同时也可用于功率高达250kW的应用。

降低电磁干扰噪音源 双向可控矽稳定峰值电压

图1表明,两个双向可控矽的基准电压不同。这就是我们推荐使用绝缘控制电路,同时采用光耦双向可控矽或脉冲变压器的原因。两个电路运行不同,可能会产生不同的电磁干扰杂讯。

图2显示了光耦双向可控矽驱动电路。当光耦双向可控矽LED启动后(即当MCU I/O针脚设置在高压侧时),通过R1施加双向可控矽栅极电流。电阻器R2连接在双向可控矽G和A1端子之间,用于汇出每次发生电压瞬变时,来自光耦双向可控矽寄生电容器的电流。通常使用50到100欧姆的电阻器。


图2  左)光耦双向可控矽驱动电路,右)电压峰值出现在电流过零点。
此电路的工作原理,可确保峰值电压出现在各个电流过零点(如图2所示),若使用的光耦双向可控矽,带有内置零电压交叉电路,也会出现相同的结果。

事实上,如果采用光耦双向可控矽电路,电压必须穿过双向可控矽A1和A2端子,从而施加栅极电流。当双向可控矽开启时,其压降接近1或1.5V。由于该压降低于光耦双向可控矽和G-A1结电压降(二者压降均高于1V)的总和,因此其无法提供足以通过栅极的电流。因此,由于在栅极没有施加电流,所以每次负载电流达到零时,双向可控矽关闭,线电压返回端子。随后,该电压需增加至电压VTPeak,足以确保施加到栅极的电流能够到达双向可控矽IGT。

如图2所示,在测试期间使用T2550-12G双向可控矽(一个具有50mA IGT的25A、1,200V双向可控矽),则其最大峰值电压等于7.5V(负跃迁期间)。假设G-A1节和光耦双向可控矽的典型压降分别为0.8V和1.1V,则提供28mA栅极电流和200欧姆的R1电阻器。该电流是我们所用样本第3象限(负VT电压和负栅极电流)中开启所须的IGT电流。

对于IGT等级接近最大额定值(50mA)的样本,或如果器件在较低的节温下运行,VTPeak电压甚至更高,这是由于温度降低时,IGT增加。

由于该VTPeak电压出现在双倍线频率情况下(对于50Hz电源,频率为100Hz),发射的电磁干扰杂讯,会导致应用超出EN 55014-1家用电器和电动工具标准规定的辐射限制。还应注意,该杂讯仅在双向可控矽导电期间出现。只要采用继电器绕过双向可控矽,该杂讯便会消失。

峰值电压出现频率低 脉冲变压器略胜一筹

为避免此类电压峰值,脉冲变压器比光耦双向可控矽更合适。增加全桥整流器和电容器,使变压器次级处的整流电压变得顺滑,可促使直流电流驱动双向可控矽栅极。因此,在每个电流过零点不会再出现峰值电压。

然而,在从机械继电器,到双向可控矽导电过渡期间,仍然存在干扰现象。此类过渡仅发生在混合式继电器关闭期间。图3a表明,电压峰值出现在该阶段;当双向可控矽开启,全部负载电流突然从继电器向双向可控矽转移时,会准确产生电压峰值。图3b描述了一幅电流增加通过双向可控矽时的放大视图。dIT/t比率接近8A/μs。当触发双向可控矽,但并未导通(由于所有电流仍在机械继电器上回圈流动),而电流开始流动时,它的矽基板呈现高电阻率。这种高电阻率会导致高峰值电压,等于图3中采用T2550-12G进行实验测试的11.6V。


图3  混合式继电器开启(a),双向可控矽开启时急剧上升(b)。
在双向可控矽开始导电后,双向可控矽矽结构的上下P-N结,会将少数载流子注入基板。这种注入活动会降低基板的电阻率,并将通态电压降至约1∼1.5V。

这种现象与导致PIN二极体峰值压降,并通过高速率电流增加开启的现象相同。这就是PIN二极体资料表,根据所用dI/dt给出VFP峰值电压的原因,如果峰值电压出现频率较高,会影响应用的效率。对于混合式继电器应用,该VFP电压仅在混合式继电器关闭时出现一次,在评估功率损耗时不必考虑在内。

还须注意,由于VFP现象与通过注入少数载流子调节基板电阻率所需的时间相关,因此,相对于800V双向可控矽(如T2550-8),此电压在1,200V元件中会更高。因此,必须认真选择器件所需承受的电压,因为上限过高,会导致开启时产生更高的峰值电压。虽然测得的峰值电压高于使用光耦双向可控矽电路测量的电压,但由于此现象仅在每个回圈中每次混合式继电器关闭时出现一次,每次仅持续几微秒,因而降低电磁干扰。

负电流传导期间关闭继电器有效降低峰值电压

为减少混合式继电器应用中出现的VFP现象,可在控制电路中采取几个简单的技巧。最有效的一个技巧是在负电流传导期间控制继电器关闭。

实际上,VFP现象在负电流中出现的频率更低。图4显示了在电流为负、其他测试条件,与图3b相同的条件下测得的VFP电压。可以看出,VFP下降了2,从正电流条件下的11.6V,下降至此处的5.5V。负极的VFP电压更低,这是由于与第二象限(正A2-A1电压和负栅极电流)相比,第三象限的矽结构更易开启。


图4 负开关电流的VFP
另一技巧是增加双向可控矽栅极电流。例如,采用一个T2550-12G双向可控矽,当仅使用100mA的栅极电流代替特定的IGT等级(50mA)时,尤其对于正开关电流,可发挥将VFP降低2到3的明显效果。

另一个降低VFP电压的解决方案是尝试在接近电流过零点时开启继电器。限制开关电流,也限制了双向可控矽开启时的dIT/dt。当然,为实现此类解决方案,必须选择一个关闭时间少于几毫秒的机械继电器。还可通过与双向可控矽串联增加电感器来降低dIT/dt。

(本文作者任职于意法半导体)




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