为电机启动器和加热系统设计一个兼具机械和硅技术双重优势的继电器

极施加电流，因为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)。因此，每当负载电流过零点时，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，该电压必须将VTPeak 电压提高到足够高，才能使施加的栅极电流达到双向可控硅IGT电流值。

图2实验使用了一个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(在负电压转换过程中)。假设 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，这个实验使用一个200欧姆电阻器R1取得28 mA栅极电流。对于我们所用样品，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。

如果样品的IGT电流接近最大指定值(50 mA)，VTPeak 电压将会更高。因为IGT 值随着温度降低而升高，如果双向可控硅的结温较低， VTPeak 电压将会更高。

因为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标准规定的辐射限制。还应指出地是，这个噪声只在双向可控硅导通时才会出现。只要绕过继电器，噪声就会消失。EN 55014-1断续干扰限制规定与反复率(或"click")有关，即混合式继电器的工作频率和干扰时长。

为避免这些电压峰值，在光耦双向可控硅与脉冲变压器之间优先选择脉冲变压器。在变压器二次侧增加一个整流全桥和一个电容器，用于修平整流电压，为驱动双向可控硅栅极提供直流电流。因此，在电流过零点不再有尖峰电压，不过，当导通状态从机电继电器转换到双向可控硅时，还会发生电磁干扰。只有在混合式继电器关闭时才会发生导通转换。图 3.a描述了这个阶段发生的尖峰电压；时间恰好是在双向可控硅导通时，整个负载电流从继电器突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过程的放大图。dIT/t速率接近8 A/µs。双向可控硅被触发时还没有导通（因为全部电流还是流经机械继电器），当电流开始流经可控硅时，硅衬底具有很高的电阻。高电阻将会产生高峰值电压，在图3使用T2550-12G进行的实验中，该峰压为11.6 V。

在双向可控硅开始导通后，其硅结构的正反面P-N结将向硅衬底注入少数载流子，这会降低衬底的电阻，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，该参数大小与适用的dI/dt参数有关，如果是高频开关应用，该参数将会影响能效。在混合式继电器中，VFP 电压只在继电器关闭时才会出现，计算功率损耗时无需考虑。

还应注意地是，既然VFP 现象是因注入少数载流子以控制衬底电阻所用时间造成的，1200V的双向可控硅的VFP高于800V解决方案的VFP，例如，T2550-8。因此，必须精心挑选器件所能承受的VFP电压，因为过高的余量将会导致双向可控硅导通时峰压较高。

虽然峰压实际测量值高于在光耦双向可控硅电路上测量到的峰压，但是，因为这种现象只是在混合式继电器关闭时每周期出现一次，且持续时间只有几毫秒，所以，EMI电磁干扰还是降低了。尽管脉冲变压器使用昂贵的铁氧磁芯，体积大，成本高，考虑到这个原因，脉冲变压器驱动电路依然是首选。

图3：混合式继电器关闭(a) – 接通时的放大图(b)

3/降低VFP 峰压的技巧

为减少混合式继电器上的VFP 现象，在控制电路上可以考虑几个简单的设计技巧。

效果最好的办法是控制继电器在负电流导通期间关闭。事实上，负电流时VFP 现象较低。图4所示是在与图3 b 相同的测试条件下测量到的VFP电压，唯一区别是负电流。不难看出，VFP 电压降低二分之一，从正电流的11.6 V降至现在的5.5 V。负电流时VFP 降低是因为硅结构在第三象限比在第二象限容易导通，(A2-A1正电压和栅极负电流)。

图4：负开关电流时的VFP。

第二个技巧是提高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电压降低二分之一或三分之一，特别是正开关电流的情况。

另一个降低VFP 电压的解决办法是在电流过零点附近释放继电器。事实上，限制开关电流也会限制双向可控硅导通时施加的dIT/dt电流上升速率。当然，实现这样一个解决方案，必须选择关断时间仅几毫秒的机械继电器。

给双向可控硅串联的一个电感器，也可以降低dIT/dt上升速率。这里不建议机械继电器与双向可控硅之间采用短PCB迹线设计。

结论

混合式继电器的普及率不断提高，使用寿命长，尺寸紧凑，正好符合开关柜的需求。本文解释