在電機(jī)啟動器和取暖系統(tǒng)中具有機(jī)械電子雙重優(yōu)點(diǎn)的繼電器
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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(jī)電繼電器并聯(lián)在一起組成的電源開關(guān)，兼?zhèn)錂C(jī)電繼電器的低電壓降和固體繼電器的高可靠性。家電電機(jī)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(jī)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(yuǎn)不像乍看起來那么容易，例如，機(jī)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(shí)現(xiàn)的降低混合式繼電器的尖峰電壓的控制電路設(shè)計(jì)小貼士。
1．集固體技術(shù)和機(jī)電技術(shù)之大成
在選擇交流開關(guān)時，設(shè)計(jì)人員非常熟知機(jī)電開關(guān)和固體開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。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(jī)電式開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通損耗小，能夠?yàn)? 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(jī)電繼電器并聯(lián)，集兩種繼電器技術(shù)之大成，設(shè)計(jì)一個混合式繼電器(HR)。圖1所示是電機(jī)啟動器所使用的混合繼電器拓?fù)?。圖中的三相電機(jī)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(fù)載沒有連接零線，電機(jī)就會保持?jǐn)鄳B(tài)。
如果負(fù)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(jī)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(fù)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(yùn)行提供充足的時間。因此，在穩(wěn)態(tài)過程中負(fù)載電流只流經(jīng)機(jī)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(fù)載電流主要是通過機(jī)電繼電器送到電機(jī)。.
- 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(jī)電式繼電器的設(shè)計(jì)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?yàn)镽oHS行業(yè)法規(guī)(2002/95/EC)將于2016年7月起禁用鎘物質(zhì)，觸點(diǎn)防銹和觸點(diǎn)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(diǎn)，否則觸點(diǎn)壽命將會縮短。
零壓導(dǎo)通還準(zhǔn)許使用容性負(fù)載降低涌流，例如，電子鎮(zhèn)流器和內(nèi)置補(bǔ)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(jī)實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式軟件啟動或啟停。平順的加速或減速將會降低機(jī)械系統(tǒng)磨損，避免電泵、風(fēng)機(jī)、電動工具、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備損傷。例如，運(yùn)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(jī)應(yīng)用中十分常見，不過也可用于最高250 kW的電機(jī)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(shí)質(zhì)是使負(fù)載保持N個周期的通態(tài)和K個周期的斷態(tài)，“N/K”比負(fù)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(jì)師期待使用光耦或脈沖變壓器設(shè)計(jì)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(shí)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(fù)載電流為零時，因?yàn)闆]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(dá)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(fù)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(fù)VT電壓和負(fù)柵電流）。
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