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兼具机械和硅技术双重优势的继电器设计
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2017-11-10
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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件的可靠性，常用于电器设备的电机启动器或加热器控制功能。欧盟RoHS指令可能会影响到机械继电器的工作可靠性，因此，混合式继电器日益受到市场的青睐。
正确控制混合式继电器，看起来容易，做起来难。例如，在机械开关和半导体开关相互转换过程中可能会产生尖峰电压，引起电磁噪声辐射。为了有效降低尖峰电压，本文将探讨几个简易的控制电路设计技巧。
1/ 整合固态继电器与机械继电器的双重优势
当选择交流开关时，固态继电器和机械继电器各有优缺点。半导体固态继电器响应速度快，导通无电压反弹，关断无电弧，电压反弹或电弧将会造成电磁干扰（EMI）辐射，缩短继电器的使用寿命。机械继电器的主要优点是导通损耗小，2 A RMS以上应用无需使用散热器；驱动线圈与电源接线端子之间隔离，无需通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，形成一个兼备这两种技术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，如果两个继电器都是关断状态，只要电机中性线没有连接，电机就会保持关断状态。如果负载连接了中性线，还可以在线 L1上串联一个混合式继电器。
图 1： 左）基于混合式继电器的电机启动器；右）继电器/双向可控硅控制序列
图1还描述了混合式继电器的控制序列：
-接通序列：
-1.双向可控硅（在大电流应用中，使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（通常是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提供充足的时间。因此，稳态负载电流只流经机械继电器。
-关闭序列：
-1.双向可控硅导通。因为继电器还在接通状态，所以负载电流主要流经机械继电器。
-2. 几毫秒后继电器关闭。像继电器接通一样，关闭电压同样极低。因此，电弧时间被缩短。
-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关闭，可提高继电器使用寿命十倍。如果是直流电流或电压关断，这个数字还能再高些。
更重要地是，因为欧盟RoHS指令（2002/95/EC）关于豁免镉限制使用的规定将于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替代。除非使用面积更大的触点，否则这些触点的使用寿命将会缩短。
零压导通技术还准许使用容性负载来降低涌流，容性负载包括灯具电子镇流器和内置补偿电容或逆变器的荧光灯具。这项技术有助于延长电容器的使用寿命，避免市电电压不稳问题。此外，固态继电器技术支持渐进式软启动或软停止。电机转速平稳升降可降低机械系统磨损，防止泵、风扇、电动工具和压缩机损坏。例如，管道系统中的水击现象就会消失，V型传送带打滑现象不会再出现。
这种混合式继电器常用于4-15 kW的设备，最高应用功率可达250kW。
此外，混合式继电器还可用于加热系统。脉冲控制器通常被用于设定加热功率或室温/水温。脉冲或周期跳跃模式控制方法是接通负载 ”N”个周期，关闭负载“K”个周期。像脉宽调制控制技术中的占空比一样，“N/K”周期比用于设定加热功率，虽然控制频率小于25-30 Hz，但是，对于加热系统的时间常量来说，这个频率已经足够快了。
2/ EMI噪声源
驱动双向可控硅有很多控制电路可以考虑，前提是隔离电路。图1中的两个双向可控硅的参考电压不同，所以隔离控制电路应该使用光耦双向可控硅或脉冲变压器。两个电路的工作方式不同，产生的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（即当微控制器I/O引脚置于高边时），通过R1施加双向可控硅栅极电流。电阻R2连接在双向可控硅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产生的电流。通常使用50-100欧姆的电阻器。
正确控制混合式继电器，看起来容易，做起来难。例如，在机械开关和半导体开关相互转换过程中可能会产生尖峰电压，引起电磁噪声辐射。为了有效降低尖峰电压，本文将探讨几个简易的控制电路设计技巧。
1/ 整合固态继电器与机械继电器的双重优势
当选择交流开关时，固态继电器和机械继电器各有优缺点。半导体固态继电器响应速度快，导通无电压反弹，关断无电弧，电压反弹或电弧将会造成电磁干扰（EMI）辐射，缩短继电器的使用寿命。机械继电器的主要优点是导通损耗小，2 A RMS以上应用无需使用散热器；驱动线圈与电源接线端子之间隔离，无需通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，形成一个兼备这两种技术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，如果两个继电器都是关断状态，只要电机中性线没有连接，电机就会保持关断状态。如果负载连接了中性线，还可以在线 L1上串联一个混合式继电器。
图 1： 左）基于混合式继电器的电机启动器；右）继电器/双向可控硅控制序列
图1还描述了混合式继电器的控制序列：
-接通序列：
-1.双向可控硅（在大电流应用中，使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（通常是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提供充足的时间。因此，稳态负载电流只流经机械继电器。
-关闭序列：
-1.双向可控硅导通。因为继电器还在接通状态，所以负载电流主要流经机械继电器。
-2. 几毫秒后继电器关闭。像继电器接通一样，关闭电压同样极低。因此，电弧时间被缩短。
-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关闭，可提高继电器使用寿命十倍。如果是直流电流或电压关断，这个数字还能再高些。
更重要地是，因为欧盟RoHS指令（2002/95/EC）关于豁免镉限制使用的规定将于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替代。除非使用面积更大的触点，否则这些触点的使用寿命将会缩短。
零压导通技术还准许使用容性负载来降低涌流，容性负载包括灯具电子镇流器和内置补偿电容或逆变器的荧光灯具。这项技术有助于延长电容器的使用寿命，避免市电电压不稳问题。此外，固态继电器技术支持渐进式软启动或软停止。电机转速平稳升降可降低机械系统磨损，防止泵、风扇、电动工具和压缩机损坏。例如，管道系统中的水击现象就会消失，V型传送带打滑现象不会再出现。
这种混合式继电器常用于4-15 kW的设备，最高应用功率可达250kW。
此外，混合式继电器还可用于加热系统。脉冲控制器通常被用于设定加热功率或室温/水温。脉冲或周期跳跃模式控制方法是接通负载 ”N”个周期，关闭负载“K”个周期。像脉宽调制控制技术中的占空比一样，“N/K”周期比用于设定加热功率，虽然控制频率小于25-30 Hz，但是，对于加热系统的时间常量来说，这个频率已经足够快了。
2/ EMI噪声源
驱动双向可控硅有很多控制电路可以考虑，前提是隔离电路。图1中的两个双向可控硅的参考电压不同，所以隔离控制电路应该使用光耦双向可控硅或脉冲变压器。两个电路的工作方式不同，产生的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（即当微控制器I/O引脚置于高边时），通过R1施加双向可控硅栅极电流。电阻R2连接在双向可控硅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产生的电流。通常使用50-100欧姆的电阻器。
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