在電機(jī)啟動(dòng)器和取暖系統(tǒng)中具有機(jī)械電子雙重優(yōu)點(diǎn)的繼電器
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如果樣片的IGT 值接近最大額定值(50 mA)，VTPeak 電壓值可能會(huì)更高，因?yàn)镮GT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(huì)提高。
因?yàn)閂TPeak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(dòng)工具電磁干擾輻射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限。需要說(shuō)明的是，這一噪聲只有當(dāng)雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。只要繼電器將光耦電路旁通，該噪聲也就自動(dòng)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(shí)長(zhǎng)。
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(gè)整流器全橋和一個(gè)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(dòng)雙向晶閘管柵極。因此，電流每次過(guò)零時(shí)都不會(huì)再有尖峰電壓發(fā)生。但是，在導(dǎo)通過(guò)程中，從機(jī)電式繼電器切換到雙向晶閘管時(shí)，仍然有騷擾噪聲出現(xiàn)，不過(guò)，這種切換好在只發(fā)生在在混合繼電器關(guān)斷過(guò)程中。圖3所示是切換期間發(fā)生的尖峰電壓。這個(gè)尖峰電壓恰好發(fā)生在雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)，也就是整個(gè)負(fù)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(méi)有導(dǎo)通（整個(gè)電流仍然流經(jīng)機(jī)電繼電器），當(dāng)電流開(kāi)始流動(dòng)時(shí)，硅襯底的電阻率很高，這會(huì)產(chǎn)生很高的峰值電壓，在使用T2550-12G進(jìn)行的試驗(yàn)中，這個(gè)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(guò)程中，襯底電阻率降低，通態(tài)電壓降至大約1-1.5 V。
這個(gè)現(xiàn)象與PIN二極管上出現(xiàn)峰值電壓降和導(dǎo)通時(shí)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(cè)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(duì)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(shí)才會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)評(píng)測(cè)功率損耗時(shí)無(wú)需考慮這個(gè)參數(shù)。
還應(yīng)指出的是，因?yàn)閷?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(shí)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(duì)耐受電壓的要求，因?yàn)殡妷涸Ａ窟^(guò)大將產(chǎn)生更高的導(dǎo)通峰壓。
雖然脈沖電壓器峰壓測(cè)量值高于光耦雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的峰壓測(cè)量值，但是EMI電磁干擾降低了，因?yàn)榉鍓含F(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(shí)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(dòng)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(jì)中采納幾個(gè)簡(jiǎn)單的小貼士，有助于降低混合繼電器的VFP現(xiàn)象。
最有實(shí)效的小貼士是控制繼電器在負(fù)電流導(dǎo)通時(shí)關(guān)斷。事實(shí)上，相對(duì)于正電流，負(fù)電流時(shí)VFP更低。圖4所示的VFP電壓測(cè)試條件與圖3.b的VFP電壓測(cè)試條件相同，只是正電流改為負(fù)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(fù)電流的5.5V。負(fù)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(fù)柵電流）更容易。
圖4: 負(fù)關(guān)斷電流時(shí)的VFP
第二個(gè)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(duì)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(shí)，VFP 電壓可以降低二分之一甚至三分之二。
另一個(gè)降低VFP 電壓的解決方案是設(shè)法在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷繼電器。事實(shí)上，限制關(guān)斷電流還能限制在雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)施加的dIT/dt電流上升速率。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)這種解決方案，必須選擇關(guān)斷時(shí)間小于幾毫秒的機(jī)電式繼電器。
給雙向晶閘管串聯(lián)一個(gè)電感也能降低dIT/dt參數(shù)，但是這里不建議縮短機(jī)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(zhǎng)交流開(kāi)關(guān)的壽命，設(shè)計(jì)尺寸緊湊的控制開(kāi)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(fù)電流導(dǎo)通時(shí)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(gè)電感。
評(píng)論