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在電機啟動器和取暖系統(tǒng)中具有機械電子雙重優(yōu)點的繼電器

作者: 時間:2016-12-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


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。

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