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家用繼電器設計新思維
集各家大成的混合式繼電器

【作者: Benoit Renard等】   2016年08月19日 星期五

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混合式繼電器是靜態繼電器(又稱固態繼電器、電子繼電器或半導體繼電器)與機械繼電器平行在一起組成的電源開關,兼具機械繼電器的低電壓降和固態繼電器的高可靠性。家電馬達啟動開關或家用電暖氣的控制開關是繼電器的常用應用領域。


但是,正確控制混合式繼電器遠不像乍看起來那麼容易,例如:機械繼電器和固態繼電器之間的切換操作可能產生尖峰電壓,輻射電磁雜訊。本文提供幾個容易實現的降低混合式繼電器的尖峰電壓的控制電路設計方法。


集固態技術和機械技術之大成

在選擇交流開關時,設計人員非常熟知機械開關和固態開關的優勢和缺點。半導體開關即固態開關的回應速度快,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品壽命。機械式開關的主要優勢是導通損耗小,能夠為2 A RMS以上的應用系統省去一個散熱器,驅動線圈與電源接線端子之間的電隔離還節省了驅動可控制矽(SCR)整流管或三端雙向可控矽開關元件(TRIAC)的光耦合器。


第三個電源開關解決方案是將固態繼電器和機械繼電器平行,集兩種繼電器技術之大成,設計一個混合式繼電器(HR)。圖1所示是馬達啟動開關所使用的混合繼電器拓撲。圖中的三相馬達啟動開關只使用兩個混合式繼電器。如果兩個繼電器都被關斷,只要負載沒有連接零線,馬達就會保持斷態。


如果負載連接零線,也可以在L1線上串聯一個混合式繼電器開關。



圖1 : (左)基於混合式繼電器的馬達啟動開關;(右)繼電器/Triac控制順序
圖1 : (左)基於混合式繼電器的馬達啟動開關;(右)繼電器/Triac控制順序

圖1並提供混合式繼電器的控制順序::


導通順序:

首先,三端雙向可控矽開關元件導通(如果電流更大,應改用兩個反極性平行的可控矽整流管),這准許負載零壓導通;


然後,繼電器在一個或幾個交流電週期後導通。繼電器的導通電壓極低(通常是在1-2V之間,是Triac的電壓降);


最後,應在繼電器線圈上電至少1至2個週期後撤銷Triac閘極電流,為繼電器在Triac關斷前開始執行提供充足的時間。因此,在穩態過程中負載電流只流經機械繼電器。


關斷順序:

首先,三端雙向可控矽開關元件導通。當繼電器處於通態時,負載電流主要是透過機械繼電器送到馬達。


然後,繼電器在幾毫秒後關斷。繼電器的關斷電壓極低,類似於繼電器導通操作。因此,火花期被縮短。


最後,應在繼電器線圈掉電至少1至2個週期後撤銷Triac閘極電流,Triac關斷,混合式繼電器在零電流時關斷。


在近乎零壓時關斷機械式繼電器的設計方法可將繼電器壽命延長10倍,如果開關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產業法規(2002/95/EC)將於2016年7月起禁用鎘物質,觸點防銹和觸點焊接製程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。


零壓導通還准許使用容性負載降低湧流,例如:電子安定器(或稱鎮流器)和內建補償電容或逆變器的螢光燈管。零壓導通還有助於延長電容的生命週期,避免交流電壓波動。


此外,固態繼電器准許馬達實現漸進式軟體啟動或啟停。平順的加速或減速將會降低機械系統磨損,避免電泵、風機、電動工具、空氣壓縮機等設備損傷。例如,運輸管道中的水錘現象將會消失,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的馬達應用中十分常見,不過也可用於最高250 kW的馬達應用系統。


混合式繼電器還用於電暖氣等取暖產品,加熱功率或室溫/水溫的設定通常由脈衝串控制器來完成。脈衝串或週期跳躍式控制原理的實質是使負載保持N個週期的通態和K個週期的斷態,「N/K」比負責定義加熱功率,類似於脈衝調製控制技術中的占空比。這裡的控制頻率小於25-30 Hz,但是,相對於暖氣系統的時間常量,這個速度已經夠用。


EMI噪音源

三端雙向可控矽開關元件的驅動方法雖然有多種,但是,產業法規要求在取暖應用中必須使用電隔離控制電路。如圖1所示,兩個Triac沒有共用同一個參考電壓,這就是設計師期待使用光耦或脈衝變壓器設計控制電路的原因。兩個電路的工作方式不同,所產生的電磁干擾雜訊也不盡相同。


圖2所示是一個光耦Triac驅動電路。當光耦Triac啟動時(即當微控制器的I/O針腳置高電平時),透過電阻R1施加Triac閘極電流。電阻R2連接在Triac閘極G和接線端子A1之間,用於阻止每當施加瞬變電壓時光耦Triac電容器產生的電流。每當電流過零時,該控制電路都會產生一個尖峰電壓(如圖2所示),即使在光耦Triac內建電壓過零電路,仍就會產生尖峰電壓。



圖2 : :(左)光耦驅動電路;(右)電流過零尖峰電壓
圖2 : :(左)光耦驅動電路;(右)電流過零尖峰電壓

事實上,在一個光耦Triac驅動電路內,要想施加閘極電流,TriacA1和接線端子A2之間必須存在電壓。Triac導通壓降接近1V或1.5V,然而低於光耦Triac和G-A1結的電壓降之和(兩個電路的電壓降都高於1V),所以還不足以驅動電流經過閘極。每當負載電流為零時,因為沒有電流施加到閘極,所以Triac關斷。


在Triac關斷後,線路電壓回加到接線端子上,使電壓VTPeak升高,升幅足以使在閘極施加的電流達到Triac的額定閘極電流IGT。在圖2所示的T2550-12GTriac(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)。假設光耦Triac和G-A1結的典型電壓降分別為1.1 V和0.8 V,電阻R1為200 Ohm,這個電壓值將會產生28 mA的閘極電流,這正是我們所用樣品在第3象限導通所需的IGT 電流(負VT電壓和負閘極電流)。


如果樣品的IGT 值接近最大額定值(50 mA),VTPeak 電壓值可能會更高,因為IGT隨著結溫降低而升高,所以,如果結溫降低,VTPeak 電壓值也可能會提高。


因為VTPeak電壓的出現頻率是線路頻率的2倍(如果交流電頻率50 Hz,VTPeak電壓出現頻率是100 Hz),使得繼電器的EMI雜訊輻射超出EN 55014-1家電和電動工具電磁干擾輻射標準規定的上限。需要說明的是,這一雜訊只有當Triac導通時才會出現。只要繼電器將光耦電路旁通,該雜訊也就自動消失。這種斷續干擾是否適用EN 55014-1標準規定,取決於斷續干擾的重複率(或喀嚦聲),即混合式繼電器工作頻率和干擾時長。


為避免這些尖峰電壓,在脈衝變壓器和光耦Triac中,應優選脈衝變壓器。增加一個整流器全橋和一個電容器,以修平變壓器二次側整流電壓,這種方法可讓直流驅動Triac閘極。因此,電流每次過零時都不會再有尖峰電壓發生。但是,在導透過程中,從機械式繼電器切換到Triac時,仍然有干擾雜訊出現,不過,這種切換好在只發生在在混合繼電器關斷過程中。圖3所示是切換期間發生的尖峰電壓。這個尖峰電壓恰好發生在Triac導通時,也就是整個負載電流從繼電器突然轉移到Triac期間。


圖3.b所示是流經Triac的電流的放大圖。電流上升速率dIT/t接近8 A/μs。如果Triac被觸發但沒有導通(整個電流仍然流經機械繼電器),當電流開始流動時,矽襯底的電阻率很高,這會產生很高的峰值電壓,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Triac導通後,晶閘管矽結構的頂部和底部P-N結將向襯底注入少數載流子,在注入過程中,襯底電阻率降低,通態電壓降至大約1-1.5 V。


這個現象與PIN二極體上出現峰值電壓降和導通時出現高電流上升速率是同一現象,這也是PIN二極體資料手冊提供VFP 峰壓的原因。該參數大小取決於所施加的電壓上升速率dI/dt,如果頻率很高,則峰壓值將影響應用能效。對於混合式繼電器應用,該VFP 電壓只在混合繼電器關斷時才會出現,當評測功率損耗時無需考慮這個參數。


還應指出的是,因為導致VFP現象的原因是注入少數載流子調整襯底電阻率需要時間,所以,與800V的Triac(例如,T2550-8)相比,1200VTriac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生更高的導通峰壓。


雖然脈衝電壓器峰壓測量值高於光耦Triac驅動電路的峰壓測量值,但是EMI電磁干擾降低了,因為峰壓現象每週期只出現一次,即混合繼電器每關斷一次才出現一次,且持續時間僅幾微秒,所以,即使尺寸大,釹鐵芯昂貴,成本高,脈衝變壓器仍然是首選驅動解決方案。



圖3 : :(a)混合繼電器關斷;(b)Triac導通放大圖
圖3 : :(a)混合繼電器關斷;(b)Triac導通放大圖

降低VFP峰壓的方法

在控制電路設計中採納幾個簡單的方法,有助於降低混合繼電器的VFP現象。


最有實效的方法是控制繼電器在負電流導通時關斷。事實上,相對於正電流,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,矽結構在第3象限導通比在第2象限(正A2-A1電壓和負閘極電流)更容易。



圖4 : 負關斷電流時的VFP
圖4 : 負關斷電流時的VFP

第二個方法是提高Triac的閘極電流。以T2550-12GTriac為例,特別是對於正關斷電流,當施加的閘極電流從額定的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法在電流過零時關斷繼電器。事實上,限制關斷電流還能限制在Triac導通時施加的dIT/dt電流上升速率。當然,要想實現這種解決方案,必須選擇關斷時間小於幾毫秒的機械式繼電器。


給Triac串聯一個電感器也能降低dIT/dt參數,但是這裡不建議縮短機械繼電器與Triac之間的PCB跡線。


結論

現在,混合繼電器被家電和系統廠商用於延長交流開關的壽命,設計尺寸緊湊的控制開關。


本文分析尖峰電壓產生的原因,並提出相應的降低電壓的解決方案,例如,在負電流導通時關斷繼電器,在Triac施加直流或更大電流,或者給Triac串聯一個電感器。


(本文作者Benoit Renard、Laurent Gonthier任職於意法半導體)


@刊頭圖片來源 (Source:www.mcarthurhomes.com)


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