前语
混合式继电器是静态继电器(又称固体继电器、电子继电器或半导体继电器)与机电继电器并联在一起组成的电源开关，兼备机电继电器的低电压降和固体继电器的高可靠性。家电电机发动器或家用电暖气的操控开关是继电器的常用运用领域。鉴于契合RoHS法规或许会下降机电继电器电源开关的可靠性，混合式继电器的商场重视度越来越高。
可是，正确操控混合式继电器远不像乍看起来那么简略，例如，机电继电器和固体继电器之间的切换操作或许发生尖峰电压，辐射电磁噪声。本文供给几个简略完结的下降混合式继电器的尖峰电压的操控电路规划小贴士。
1.集固体技能和机电技能之大成
在挑选沟通开关时，规划人员非常熟知机电开关和固体开关的长处和缺陷。半导体开关即固体开关的呼应速度快，通电时无电压反弹，断电时无火花，不会辐射电磁搅扰(EMI)，也不会缩短继电器的产品寿数。机电式开关的首要长处是导通损耗小，能够为2 A RMS以上的运用体系省去一个散热器，驱动线圈与电源接线端子之间的电阻隔还节省了驱动可操控硅(SCR)整流管或三端双向晶闸管的光耦合器。
第三个电源开关解决方案是将固体继电器和机电继电器并联，集两种继电器技能之大成，规划一个混合式继电器(HR)。图1所示是电机发动器所运用的混合继电器拓扑。图中的三相电机发动器只运用两个混合式继电器。假如两个继电器都被关断，只需负载没有衔接零线，电机就会坚持断态。
假如负载衔接零线，也能够在L1线上串联一个混合式继电器开关。
图1: 左图)根据混合式继电器的电机发动器; 右图) 继电器/双向晶闸管操控次序
图1还给出了混合式继电器的操控次序:
-导通次序:
– 首要，三端双向晶闸管导通(假如电流更大，应改用两个反极性并联的可控硅整流管)，这允许负载零压导通;
– 然后，继电器在一个或几个沟通电周期后导通。继电器的导通电压极低(一般是在1-2V之间，是双向晶闸管的电压降);
– 最终，应在继电器线圈上电至少1至2个周期后吊销双向晶闸管栅电流，为继电器在双向晶闸管关断前开端运转供给足够的时刻。因而，在稳态过程中负载电流只流经机电继电器。
-关断次序:
– 首要，三端双向晶闸管导通。当继电器处于通态时，负载电流首要是通过机电继电器送到电机。.
– 然后，继电器在几毫秒后关断。继电器的关断电压极低，类似于继电器导通操作。因而，火花期被缩短。
– 最终，应在继电器线圈掉电至少1至2个周期后吊销双向晶闸管栅电流，双向晶闸管关断，混合式继电器在零电流时关断。
在近乎零压时关断机电式继电器的规划办法可将继电器寿数延伸10倍，假如开关操作是直流电流或电压，继电器的寿数延伸不仅仅10倍，或许更高。
最重要的是，由于RoHS职业法规(2002/95/EC)将于2016年7月起禁用镉物质，触点防锈和触点焊接工艺运用的银氧化镉或许会被Ag-ZnO或Ag-SnO2代替，在这种情况下，除非运用更大的触点，不然触点寿数将会缩短。
零压导通还允许运用容性负载下降涌流，例如，电子镇流器和内置补偿电容或逆变器的荧光灯管。零压导通还有助于延伸电容的生命周期，防止沟通电压动摇。
此外，固体继电器允许电机完结渐进式软件发动或启停。平顺的加快或减速将会下降机械体系磨损，防止电泵、风机、电动工具、空气压缩机等设备损害。例如，运送管道中的水锤现象将会消失，货品传送带可防止V型皮带打滑和颤动。
混合式继电器在4-15 kW的电机运用中非常常见，不过也可用于最高250 kW的电机运用体系。
混合式继电器还用于电暖气等取暖产品，加热功率或室温/水温的设定一般由脉冲串操控器来完结。脉冲串或周期跳跃式操控原理的本质是使负载坚持N个周期的通态和K个周期的断态，“N/K”比担任界说加热功率，类似于脉冲调制操控技能中的占空比。这儿的操控频率小于25-30 Hz，可是，相关于取暖体系的时刻常量，这个速度现已够用。
2. EMI噪声源
三端双向晶闸管的驱动办法尽管有多种，可是，职业法规要求在取暖运用中有必要运用电阻隔操控电路。如图1所示，两个双向晶闸管没有共用同一个参阅电压，这便是规划师等待运用光耦或脉冲变压器规划操控电路的原因。两个电路的作业方式不同，所发生的电磁搅扰噪声也不尽相同。
图2所示是一个光耦双向晶闸管驱动电路。当光耦双向晶闸管激活时(即当微操控器的I/O引脚置高电平时)，通过电阻R1施加双向晶闸管栅电流。电阻R2衔接在双向晶闸管栅极G和接线端子A1之间，用于阻挠每逢施加瞬变电压韶光耦双向晶闸管电容器发生的电流。每逢电流过零时，该操控电路都会发生一个尖峰电压(如图2所示)，即便在光耦双向晶闸管内置电压过零电路，仍就会发生尖峰电压。
图 2:左图) 光耦驱动电路，右图)电流过零尖峰电压
事实上，在一个光耦双向晶闸管驱动电路内，要想施加栅极电流，双向晶闸管A1和接线端子A2之间有必要存在电压。双向晶闸管导通压降挨近1V或1.5V，可是低于光耦双向晶闸管和G-A1结的电压降之和(两个电路的电压降都高于1V)，所以还不足以驱动电流通过栅极。每逢负载电流为零时，由于没有电流施加到栅级，所以双向晶闸管关断。
在双向晶闸管关断后，线路电压回加到接线端子上，使电压VTPeak升高，升幅足以使在栅极施加的电流到达双向晶闸管的额外栅极电流IGT。在图2所示的T2550-12G双向晶闸管(25 A，1200 V，50 mA IGT)测验中，该电压的最大值电压为7.5 V (在变成负电压过程中)。假定光耦双向晶闸管和G-A1结的典型电压降分别为1.1 V和0.8 V，电阻R1为200 Ohm，这个电压值将会发生28 mA的栅电流，这正是咱们所用样片在第3象限导通所需的IGT 电流(负VT电压和负栅电流)。
假如样片的IGT 值挨近最大额外值(50 mA)，VTPeak 电压值或许会更高，由于IGT跟着结温下降而升高，所以，假如结温下降，VTPeak 电压值也或许会进步。
由于VTPeak电压的呈现频率是线路频率的2倍(假如沟通电频率50 Hz，VTPeak电压呈现频率是100 Hz)，使得继电器的EMI噪声辐射超出EN 55014-1家电和电动工具电磁搅扰辐射规范规则的上限。需求阐明的是，这一噪声只有当双向晶闸管导通时才会呈现。只需继电器将光耦电路旁通，该噪声也就主动消失。这种断续打扰是否适用EN 55014-1规范规则，取决于断续打扰的重复率(或喀呖声)，即混合式继电器作业频率和打扰时长。
为防止这些尖峰电压，在脉冲变压器和光耦双向晶闸管中，应优选脉冲变压器。添加一个整流器全桥和一个电容器，以修平变压器二次侧整流电压，这种办法可让直流驱动双向晶闸管栅极。因而，电流每次过零时都不会再有尖峰电压发生。可是，在导通过程中，从机电式继电器切换到双向晶闸管时，依然有打扰噪声呈现，不过，这种切换好在只发生在在混合继电器关断过程中。图3所示是切换期间发生的尖峰电压。这个尖峰电压刚好发生在双向晶闸管导通时，也便是整个负载电流从继电器忽然转移到双向晶闸管期间。
图3.b所示是流经双向晶闸管的电流的扩大图。电流上升速率dIT/t挨近8 A/µs。假如双向晶闸管被触发但没有导通(整个电流依然流经机电继电器)，当电流开端活动时，硅衬底的电阻率很高，这会发生很高的峰值电压，在运用T2550-12G进行的实验中，这个峰值电压为11.6 V，如图3所示。
在双向晶闸管导通后，晶闸管硅结构的顶部和底部P-N结将向衬底注入少量载流子，在注入过程中，衬底电阻率下降，通态电压降至大约1-1.5 V。
这个现象与PIN二极管上呈现峰值电压降和导通时呈现高电流上升速率是同一现象，这也是PIN二极管数据手册供给VFP 峰压的原因。该参数巨细取决于所施加的电压上升速率dI/dt，假如频率很高，则峰压值将影呼运用能效。关于混合式继电器运用，该VFP 电压只在混合继电器关断时才会呈现，当评测功率损耗时无需考虑这个参数。
还应指出的是，由于导致VFP现象的原因是注入少量载流子调整衬底电阻率需求时刻，所以，与800V的双向晶闸管(例如，T2550-8)比较，1200V双向晶闸管的VFP电压更高，所以有必要精心挑选晶闸管对耐受电压的要求，由于电压裕量过大将发生更高的导通峰压。
尽管脉冲电压器峰压测量值高于光耦双向晶闸管驱动电路的峰压测量值，可是EMI电磁搅扰下降了，由于峰压现象每周期只呈现一次，即混合继电器每关断一次才呈现一次，且持续时刻仅几微秒，所以，即便尺度大，钕铁芯贵重，本钱高，脉冲变压器依然是首选驱动解决方案。
图3: 混合继电器关断(a) – 双向晶闸管导通扩大图 (b)
3. 下降VFP 峰压的小贴士
在操控电路规划中采用几个简略的小贴士，有助于下降混合继电器的VFP现象。
最有实效的小贴士是操控继电器在负电流导通时关断。事实上，相关于正电流，负电流时VFP更低。图4所示的VFP电压测验条件与图3.b的VFP电压测验条件相同，仅仅正电流改为负电流。从图中不难看出，VFP电压降了二分之一，从正电流的11.6V降至负电流的5.5V。负电流VFP电压低的原因是，硅结构在第3象限导通比在第2象限(正A2-A1电压和负栅电流)更简略。
图4: 负关断电流时的VFP
第二个小贴士是进步双向晶闸管的栅极电流。以T2550-12G双向晶闸管为例，特别是关于正关断电流，当施加的栅极电流从额外的IGT 电流 (仅50 mA)提升到100 mA时，VFP 电压能够下降二分之一乃至三分之二。
另一个下降VFP 电压的解决方案是设法在电流过零时关断继电器。事实上，约束关断电流还能约束在双向晶闸管导通时施加的dIT/dt电流上升速率。当然，要想完结这种解决方案，有必要挑选关断时刻小于几毫秒的机电式继电器。
给双向晶闸管串联一个电感也能下降dIT/dt参数，可是这儿不主张缩短机电继电器与双向晶闸管之间的PCB迹线。
定论：
现在，混合继电器被家电和体系厂商用于延伸沟通开关的寿数，规划尺度紧凑的操控开关。
本文剖析了尖峰电压发生的原因，并提出了相应的下降电压的解决方案，例如，在负电流导通时关断继电器，在双向晶闸栅极施加直流或更大电流，或许给双向晶闸管串联一个电感。
