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马达启动开关与暖气系统的继电器设计
[作者 意法半導體(ST)]   2015年05月04日 星期一 浏览人次: [17225]


混合式继电器是静态继电器(又称固态继电器、电子继电器或半导体继电器)与机械继电器平行在一起组成的电源开关,兼具机械继电器的低电压降和固态继电器的高可靠性。 家电马达启动开关或家用电暖气的控制开关是继电器的常用应用领域。 鉴于符合RoHS法规可能会降低机械继电器电源开关的可靠性,混合式继电器的市场关注度越来越高。


但是,正确控制混合式继电器远不像乍看起来那么容易,例如:机械继电器和固态继电器之间的切换操作可能产生尖峰电压,辐射电磁噪声。 本文提供几个容易实现的降低混合式继电器的尖峰电压的控制电路设计方法。


集固态技术和机械技术之大成

在选择交流开关时,设计人员非常熟知机械开关和固态开关的优势和缺点。 半导体开关即固态开关的响应速度快,通电时无电压反弹,断电时无火花,不会辐射电磁干扰(EMI),也不会缩短继电器的产品寿命。 机械式开关的主要优势是导通损耗小,能够为2 A RMS以上的应用系统省去一个散热器,驱动线圈与电源接线端子之间的电隔离还节省了驱动可控制硅(SCR)整流管或三端双向可控硅开关组件(TRIAC)的光耦合器。


第三个电源开关解决方案是将固态继电器和机械继电器平行,集两种继电器技术之大成,设计一个混合式继电器(HR)。 图1所示是马达启动开关所使用的混合继电器拓扑。 图中的三相马达启动开关只使用两个混合式继电器。 如果两个继电器都被关断,只要负载没有连接零线,马达就会保持断态。


如果负载连接零线,也可以在L1在线串联一个混合式继电器开关。



图1 : (左)基于混合式继电器的马达启动开关;(右)继电器/Triac控制顺序
图1 : (左)基于混合式继电器的马达启动开关;(右)继电器/Triac控制顺序

图1并提供混合式继电器的控制顺序:


导通顺序

-首先,三端双向可控硅开关组件导通(如果电流更大,应改用两个反极性平行的可控硅整流管),这准许负载零压导通;


-然后,继电器在一个或几个交流电周期后导通。 继电器的导通电压极低(通常是在1-2V之间,是Triac的电压降);


-最后,应在继电器线圈上电至少1至2个周期后撤销Triac闸极电流,为继电器在Triac关断前开始执行提供充足的时间。 因此,在稳态过程中负载电流只流经机械继电器。


关断顺序

-首先,三端双向可控硅开关组件导通。 当继电器处于通态时,负载电流主要是透过机械继电器送到马达。.


-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。 因此,火花期被缩短。


-最后,应在继电器线圈掉电至少1至2个周期后撤销Triac闸极电流,Triac关断,混合式继电器在零电流时关断。


在近乎零压时关断机械式继电器的设计方法可将继电器寿命延长10倍,如果开关操作是直流电流或电压,继电器的寿命延长不只是10倍,可能更高。


最重要的是,因为RoHS产业法规(2002/95/EC)将于2016年7月起禁用镉物质,触点防锈和触点焊接制程使用的银氧化镉可能会被Ag-ZnO或Ag-SnO2替代,在这种情况下,除非使用更大的触点,否则触点寿命将会缩短。


零压导通还准许使用容性负载降低涌流,例如:电子安定器(或称镇流器)和内建补偿电容或逆变器的荧光灯管。 零压导通还有助于延长电容的生命周期,避免交流电压波动。


此外,固态继电器准许马达实现渐进式软件激活或启停。 平顺的加速或减速将会降低机械系统磨损,避免电泵、风机、电动工具、空气压缩机等设备损伤。 例如,运输管道中的水锤现象将会消失,货物传送带可避免V型皮带打滑和抖动。


混合式继电器在4-15 kW的马达应用中十分常见,不过也可用于最高250 kW的马达应用系统。


混合式继电器还用于电暖气等取暖产品,加热功率或室温/水温的设定通常由脉冲串控制器来完成。 脉冲串或周期跳跃式控制原理的实质是使负载保持N个周期的通态和K个周期的断态,「N/K」比负责定义加热功率,类似于脉冲调制控制技术中的占空比。 这里的控制频率小于25-30 Hz,但是,相对于暖气系统的时间常量,这个速度已经够用。


EMI噪声源

三端双向可控硅开关组件的驱动方法虽然有多种,但是,产业法规要求在取暖应用中必须使用电隔离控制电路。 如图1所示,两个Triac没有共享同一个参考电压,这就是设计师期待使用光耦或脉冲变压器设计控制电路的原因。 两个电路的工作方式不同,所产生的电磁干扰噪声也不尽相同。


图2所示是一个光耦Triac驱动电路。 当光耦Triac启动时(即当微控制器的I/O针脚置高电平时),透过电阻R1施加Triac闸极电流。 电阻R2连接在Triac闸极G和接线端子A1之间,用于阻止每当施加瞬变电压时光耦Triac电容器产生的电流。 每当电流过零时,该控制电路都会产生一个尖峰电压(如图2所示),即使在光耦Triac内建电压过零电路,仍就会产生尖峰电压。



图2 : (左)光耦驱动电路;(右)电流过零尖峰电压
图2 : (左)光耦驱动电路;(右)电流过零尖峰电压

事实上,在一个光耦Triac驱动电路内,要想施加闸极电流,TriacA1和接线端子A2之间必须存在电压。 Triac导通压降接近1V或1.5V,然而低于光耦Triac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经过闸极。 每当负载电流为零时,因为没有电流施加到闸极,所以Triac关断。


在Triac关断后,线路电压回加到接线端子上,使电压VTPeak升高,升幅足以使在闸极施加的电流达到Triac的额定闸极电流IGT。 在图2所示的T2550-12GTriac(25 A,1200 V,50 mA IGT)测试中,该电压的最大值电压为7.5 V (在变成负电压过程中)。 假设光耦Triac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,这个电压值将会产生28 mA的闸极电流,这正是我们所用样品在第3象限导通所需的IGT 电流(负VT电压和负闸极电流)。


如果样品的IGT 值接近最大额定值(50 mA),VTPeak 电压值可能会更高,因为IGT随着结温降低而升高,所以,如果结温降低,VTPeak 电压值也可能会提高。


因为VTPeak电压的出现频率是线路频率的2倍(如果交流电频率50 Hz,VTPeak电压出现频率是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干扰辐射标准规定的上限。 需要说明的是,这一噪声只有当Triac导通时才会出现。 只要继电器将光耦电路旁通,该噪声也就自动消失。 这种断续骚扰是否适用EN 55014-1标准规定,取决于断续骚扰的重复率(或喀呖声),即混合式继电器工作频率和骚扰时长。


为避免这些尖峰电压,在脉冲变压器和光耦Triac中,应优选脉冲变压器。增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,这种方法可让直流驱动Triac闸极。因此,电流每次过零时都不会再有尖峰电压发生。但是,在导透过程中,从机械式继电器切换到Triac时,仍然有骚扰杂讯出现,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。这个尖峰电压恰好发生在Triac导通时,也就是整个负载电流从继电器突然转移到Triac期间。


图3.b所示是流经Triac的电流的放大图。 电流上升速率dIT/t接近8 A/us。 如果Triac被触发但没有导通(整个电流仍然流经机械继电器),当电流开始流动时,硅衬底的电阻率很高,这会产生很高的峰值电压,在使用T2550-12G进行的试验中,这个峰值电压为11.6 V,如图3所示。


在Triac导通后,晶闸管硅结构的顶部和底部P-N结将向衬底注入少数载流子,在注入过程中,衬底电阻率降低,通态电压降至大约1-1.5 V。


这个现象与PIN二极管上出现峰值电压降和导通时出现高电流上升速率是同一现象,这也是PIN二极管数据手册提供VFP 峰压的原因。 该参数大小取决于所施加的电压上升速率dI/dt,如果频率很高,则峰压值将影响应用能效。 对于混合式继电器应用,该VFP 电压只在混合继电器关断时才会出现,当评测功率损耗时无需考虑这个参数。


还应指出的是,因为导致VFP现象的原因是注入少数载流子调整衬底电阻率需要时间,所以,与800V的Triac(例如,T2550-8)相比,1200VTriac的VFP电压更高,所以必须精心挑选晶闸管对耐受电压的要求,因为电压裕量过大将产生更高的导通峰压。


虽然脉冲电压器峰压测量值高于光耦Triac驱动电路的峰压测量值,但是EMI电磁干扰降低了,因为峰压现象每周期只出现一次,即混合继电器每关断一次才出现一次,且持续时间仅几微秒,所以,即使尺寸大,钕铁芯昂贵,成本高,脉冲变压器仍然是首选驱动解决方案。



图3 : (a)混合继电器关断;(b)Triac导通放大图
图3 : (a)混合继电器关断;(b)Triac导通放大图

降低VFP 峰压的方法

在控制电路设计中采纳几个简单的方法,有助于降低混合继电器的VFP现象。


最有实效的方法是控制继电器在负电流导通时关断。 事实上,相对于正电流,负电流时VFP更低。 图4所示的VFP电压测试条件与图3.b的VFP电压测试条件相同,只是正电流改为负电流。 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电压和负闸极电流)更容易。



图4 : 负关断电流时的VFP
图4 : 负关断电流时的VFP

第二个方法是提高Triac的闸极电流。 以T2550-12GTriac为例,特别是对于正关断电流,当施加的闸极电流从额定的IGT 电流 (仅50 mA)提升到100 mA时,VFP 电压可以降低二分之一甚至三分之二。


另一个降低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,限制关断电流还能限制在Triac导通时施加的dIT/dt电流上升速率。 当然,要想实现这种解决方案,必须选择关断时间小于几毫秒的机械式继电器。


给Triac串联一个电感器也能降低dIT/dt参数,但是这里不建议缩短机械继电器与Triac之间的PCB迹线。


结论

现在,混合继电器被家电和系统厂商用于延长交流开关的寿命,设计尺寸紧凑的控制开关。


本文分析尖峰电压产生的原因,并提出相应的降低电压的解决方案,例如,在负电流导通时关断继电器,在Triac施加直流或更大电流,或者给Triac串联一个电感器。


(本文作者Benoit Renard、Laurent Gonthier任职于意法半导体)


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