前语
混合式继电器是将静态继电器和机械继电器并联在一起构成的开关元件，兼具机械继电器的低压降与硅器材的可靠性，常用于电器设备的电机启动器或加热器操控功用。欧盟RoHS指令可能会影响到机械继电器的作业可靠性，因而，混合式继电器日益遭到商场的喜爱。
正确操控混合式继电器，看起来简略，做起来难。例如，在机械开关和半导体开关彼此转化进程中可能会发生尖峰电压，引起电磁噪声辐射。为了有用下降尖峰电压，本文将评论几个简易的操控电路规划技巧。
1/ 整合固态继电器与机械继电器的两层优势
中挑选沟通开关时，固态继电器和机械继电器各有优缺点。半导体固态继电器呼应速度快，导通无电压反弹，关断无电弧，电压反弹或电弧将会构成电磁搅扰(EMI)辐射，缩短继电器的运用寿命。机械继电器的首要长处是导通损耗小，2 A RMS以上运用无需运用散热器;驱动线圈与电源接线端子之间阻隔，无需经过光耦合器驱动可控硅整流管(SCR)或双向可控硅。
第三种继电器是将固态继电器与机械继电器并联，构成一个兼备这两种技能优势的混合式继电器(简称HR)。图1所示是电机启动器内的混合式继电器拓扑，这个三相电机启动器只需要两个混合式继电器，假如两个继电器都是关断状况，只需电机中性线没有衔接，电机就会坚持关断状况。假如负载衔接了中性线，还能够在线 L1上串联一个混合式继电器。
图 1: 左)根据混合式继电器的电机启动器;右)继电器/双向可控硅操控序列
图1还描绘了混合式继电器的操控序列:
-接通序列:
- 1.双向可控硅(在大电流运用中，运用两个反极性并联的可控硅整流管)导通，负载零电压接通。
- 2.在一个或数个市电周期后，继电器接通。继电器的接通电压极低(一般是1-2V，恰好是双向可控硅的通态压降)。
- 3.在施加继电器线圈电流一到两个周期后，撤去双向可控硅栅电流，为继电器在双向可控硅关断前吸合供给满足的时刻。因而，稳态负载电流只流经机械继电器。
-封闭序列:
- 1.双向可控硅导通。由于继电器还在接通状况，所以负载电流首要流经机械继电器。
- 2. 几毫秒后继电器封闭。像继电器接通相同，封闭电压相同极低。因而，电弧时刻被缩短。
- 3.在撤去继电器线圈电流一个到两个周期后，再撤去双向可控硅栅电流，双向可控硅关断。混合式继电器在零电流时关断。
继电器在近零电压时封闭，可进步继电器运用寿命十倍。假如是直流电流或电压关断，这个数字还能再高些。
更重要地是，由于欧盟RoHS指令(2002/95/EC)关于豁免镉约束运用的规则将于2016年到期，触点防锈和触点焊接所用的银-氧化镉合金将会被银氧化锌或银氧化锡代替。除非运用面积更大的触点，不然这些触点的运用寿命将会缩短。
零压导通技能还允许运用容性负载来下降涌流，容性负载包含灯具电子镇流器和内置补偿电容或逆变器的荧光灯具。这项技能有助于延伸电容器的运用寿命，防止市电电压不稳问题。此外，固态继电器技能支持渐进式软启动或软中止。电机转速平稳升降可下降机械体系磨损，防止泵、电扇、电动工具和压缩机损坏。例如，管道体系中的水击现象就会消失，V型传送带打滑现象不会再呈现。
这种混合式继电器常用于4-15 kW的设备，最高运用功率可达250kW。
此外，混合式继电器还可用于加热体系。脉冲操控器一般被用于设定加热功率或室温/水温。脉冲或周期跳动形式操控方法是接通负载 ”N”个周期，封闭负载“K”个周期。像脉宽调制操控技能中的占空比相同，“N/K”周期比用于设定加热功率，虽然操控频率小于25-30 Hz，可是，关于加热体系的时刻常量来说，这个频率现已满足快了。
2/ EMI噪声源
驱动双向可控硅有许多操控电路能够考虑，条件是阻隔电路。图1中的两个双向可控硅的参阅电压不同，所以阻隔操控电路应该运用光耦双向可控硅或脉冲变压器。两个电路的作业方式不同，发生的EMI噪声也不相同。
图 2 所示是一个光耦双向可控硅驱动电路。当光耦双向可控硅LED激活时(即当微操控器I/O引脚置于高边时)，经过R1施加双向可控硅栅极电流。电阻R2衔接在双向可控硅G与A1端子之间，用于分流瞬变电压在光耦双向可控硅寄生电容上发生的电流。一般运用50-100欧姆的电阻器。
该电路的作业原理是在每个电流过零点(如图2所示)上发生峰值电压，即使光耦双向可控硅内置电压过零电路也是如此。
图2：左)光耦双向可控硅驱动电路;右)电流过零尖峰电压
事实上，在光耦双向可控硅电路内，双向可控硅的 A1和 A2端子之间有必要有电压，才干向栅极上施加电流。双向可控硅导通时的电压降挨近1V或1.5 V，这个压降值不足以向栅极施加电流，由于该压降小于光耦双向可控硅压降与G-A1结压降之和(两者的压降都高于1V)。因而，每逢负载电流过零点时，没有电流施加到栅极，双向可控硅关断。
当双向可控硅关断时，线路电压施加在双向可控硅的端子上，该电压有必要将VTPeak 电压进步到满足高，才干使施加的栅极电流到达双向可控硅IGT电流值。
图2试验运用了一个T2550-12G双向可控硅(25 A，1200 V，50 mA IGT)，最高峰值电压等于7.5 V(在负电压转化进程中)。假定 G-A1结和光耦双向可控硅的典型压降分别为0.8 V和1.1 V，这个试验运用一个200欧姆电阻器R1获得28 mA栅极电流。关于咱们所用样品，这个电流是第三象限(负电压VT 和负栅极电流)导通所需的电流IGT。
假如样品的IGT电流挨近最大指定值(50 mA)，VTPeak 电压将会更高。由于IGT 值跟着温度下降而升高，假如双向可控硅的结温较低， VTPeak 电压将会更高。
由于VTPeak电压的频率是线路电压频率的两倍(若市电50 Hz ，则该电压频率是100 Hz)，其EMI噪声辐射超出了EN 55014-1电器设备和电动工具规范规则的辐射约束。还应指出地是，这个噪声只在双向可控硅导通时才会呈现。只需绕过继电器，噪声就会消失。EN 55014-1断续搅扰约束规则与重复率(或“click”)有关，即混合式继电器的作业频率和搅扰时长。
为防止这些电压峰值，在光耦双向可控硅与脉冲变压器之间优先挑选脉冲变压器。在变压器二次侧添加一个整流全桥和一个电容器，用于修平坦流电压，为驱动双向可控硅栅极供给直流电流。因而，在电流过零点不再有尖峰电压，不过，当导通状况从机电继电器转化到双向可控硅时，还会发生电磁搅扰。只要在混合式继电器封闭时才会发生导通转化。图 3.a描绘了这个阶段发生的尖峰电压;时刻恰好是在双向可控硅导通时，整个负载电流从继电器忽然切换到双向可控硅。图 3.b图所示是双向可控硅上电流上升进程的扩大图。dIT/t速率挨近8 A/µs。双向可控硅被触发时还没有导通(由于悉数电流仍是流经机械继电器)，当电流开端流经可控硅时，硅衬底具有很高的电阻。高电阻将会发生高峰值电压，在图3运用T2550-12G进行的试验中，该峰压为11.6 V。
在双向可控硅开端导通后，其硅结构的正反面P-N结将向硅衬底注入少量载流子，这会下降衬底的电阻，将通态电压降至约1V-1.5 V。
这种现象与PIN二极管上的峰值压降现象相同，导通时电流上升速率高，所以PIN二极管数据手册给出VFP 峰压，该参数巨细与适用的dI/dt参数有关，假如是高频开关运用，该参数将会影响能效。在混合式继电器中，VFP 电压只在继电器封闭时才会呈现，核算功率损耗时无需考虑。
还应留意地是，已然VFP 现象是因注入少量载流子以操控衬底电阻所用时刻构成的，1200V的双向可控硅的VFP高于800V解决方案的VFP，例如，T2550-8。因而，有必要精心挑选器材所能接受的VFP电压，由于过高的余量将会导致双向可控硅导通时峰压较高。
虽然峰压实践测量值高于在光耦双向可控硅电路上测量到的峰压，可是，由于这种现象只是在混合式继电器封闭时每周期呈现一次，且持续时刻只要几毫秒，所以，EMI电磁搅扰仍是下降了。虽然脉冲变压器运用贵重的铁氧磁芯，体积大，本钱高，考虑到这个原因，脉冲变压器驱动电路依然是首选。
图3：混合式继电器封闭(a) – 接通时的扩大图(b)
3/下降VFP 峰压的技巧
为削减混合式继电器上的VFP 现象，在操控电路上能够考虑几个简略的规划技巧。
作用最好的方法是操控继电器在负电流导通期间封闭。事实上，负电流时VFP 现象较低。图4所示是在与图3 b 相同的测验条件下测量到的VFP电压，仅有区别是负电流。不难看出，VFP 电压下降二分之一，从正电流的11.6 V降至现在的5.5 V。负电流时VFP 下降是由于硅结构在第三象限比在第二象限简略导通，(A2-A1正电压和栅极负电流)。
图4：负开关电流时的VFP。
第二个技巧是进步双向可控硅栅极电流。例如，当施加100 mA栅极电流，而不是指定的IGT 电流(50 mA)时，T2550-12G双向可控硅VFP电压下降二分之一或三分之一，特别是正开关电流的状况。
另一个下降VFP 电压的解决方法是在电流过零点邻近开释继电器。事实上，约束开关电流也会约束双向可控硅导通时施加的dIT/dt电流上升速率。当然，完成这样一个解决方案，有必要挑选关断时刻仅几毫秒的机械继电器。
给双向可控硅串联的一个电感器，也能够下降dIT/dt上升速率。这儿不主张机械继电器与双向可控硅之间选用短PCB迹线规划。
定论
混合式继电器的普及率不断进步，运用寿命长，尺度紧凑，正好契合开关柜的需求。本文解说了尖峰电压发生的原因，并评论了下降尖峰电压的解决方法，例如，在负电流导通时关断继电器，在栅极施加更大的直流电流，给双向可控硅串联一个电感器。
