前言
混合式繼電器是將靜態繼電器和機械繼電器并聯在一起構成的開關元件，兼具機械繼電器的低壓降與硅器件的可靠性，常用于電器設備的電機啟動器或加熱器控制功能。歐盟RoHS指令可能會影響到機械繼電器的工作可靠性，因此，混合式繼電器日益受到市場的青睞。
正確控制混合式繼電器，看起來容易，做起來難。例如，在機械開關和半導體開關相互轉換過程中可能會產生尖峰電壓，引起電磁噪聲輻射。為了有效降低尖峰電壓，本文將探討幾個簡易的控制電路設計技巧。
1/ 整合固態繼電器與機械繼電器的雙重優勢
當選擇交流開關時，固態繼電器和機械繼電器各有優缺點。半導體固態繼電器響應速度快，導通無電壓反彈，關斷無電弧，電壓反彈或電弧將會造成電磁干擾(EMI)輻射，縮短繼電器的使用壽命。機械繼電器的主要優點是導通損耗小，2 A RMS以上應用無需使用散熱器；驅動線圈與電源接線端子之間隔離，無需通過光耦合器驅動可控硅整流管(SCR)或雙向可控硅。
第三種繼電器是將固態繼電器與機械繼電器并聯，形成一個兼備這兩種技術優勢的混合式繼電器(簡稱HR)。圖1所示是電機啟動器內的混合式繼電器拓撲，這個三相電機啟動器只需要兩個混合式繼電器，如果兩個繼電器都是關斷狀態，只要電機中性線沒有連接，電機就會保持關斷狀態。如果負載連接了中性線，還可以在線 L1上串聯一個混合式繼電器。
圖 1: 左)基于混合式繼電器的電機啟動器；右)繼電器/雙向可控硅控制序列
圖1還描述了混合式繼電器的控制序列:
-接通序列:
-1.雙向可控硅(在大電流應用中，使用兩個反極性并聯的可控硅整流管)導通，負載零電壓接通。
-2.在一個或數個市電周期后，繼電器接通。繼電器的接通電壓極低（通常是1-2V，恰好是雙向可控硅的通態壓降）。
-3.在施加繼電器線圈電流一到兩個周期后，撤去雙向可控硅柵電流，為繼電器在雙向可控硅關斷前吸合提供充足的時間。因此，穩態負載電流只流經機械繼電器。
-關閉序列:
-1.雙向可控硅導通。因為繼電器還在接通狀態，所以負載電流主要流經機械繼電器。
-2. 幾毫秒后繼電器關閉。像繼電器接通一樣，關閉電壓同樣極低。因此，電弧時間被縮短。
-3.在撤去繼電器線圈電流一個到兩個周期后，再撤去雙向可控硅柵電流，雙向可控硅關斷。混合式繼電器在零電流時關斷。
繼電器在近零電壓時關閉，可提高繼電器使用壽命十倍。如果是直流電流或電壓關斷，這個數字還能再高些。
更重要地是，因為歐盟RoHS指令(2002/95/EC)關于豁免鎘限制使用的規定將于2016年到期，觸點防銹和觸點焊接所用的銀-氧化鎘合金將會被銀氧化鋅或銀氧化錫替代。除非使用面積更大的觸點，否則這些觸點的使用壽命將會縮短。
零壓導通技術還準許使用容性負載來降低涌流，容性負載包括燈具電子鎮流器和內置補償電容或逆變器的熒光燈具。這項技術有助于延長電容器的使用壽命，避免市電電壓不穩問題。此外，固態繼電器技術支持漸進式軟啟動或軟停止。電機轉速平穩升降可降低機械系統磨損，防止泵、風扇、電動工具和壓縮機損壞。例如，管道系統中的水擊現象就會消失，V型傳送帶打滑現象不會再出現。
這種混合式繼電器常用于4-15 kW的設備，最高應用功率可達250kW。
此外，混合式繼電器還可用于加熱系統。脈沖控制器通常被用于設定加熱功率或室溫/水溫。脈沖或周期跳躍模式控制方法是接通負載 ”N”個周期，關閉負載“K”個周期。像脈寬調制控制技術中的占空比一樣，“N/K”周期比用于設定加熱功率，雖然控制頻率小于25-30 Hz，但是，對于加熱系統的時間常量來說，這個頻率已經足夠快了。
2/ EMI噪聲源
驅動雙向可控硅有很多控制電路可以考慮，前提是隔離電路。圖1中的兩個雙向可控硅的參考電壓不同，所以隔離控制電路應該使用光耦雙向可控硅或脈沖變壓器。兩個電路的工作方式不同，產生的EMI噪聲也不相同。
圖 2 所示是一個光耦雙向可控硅驅動電路。當光耦雙向可控硅LED激活時（即當微控制器I/O引腳置于高邊時），通過R1施加雙向可控硅柵極電流。電阻R2連接在雙向可控硅G與A1端子之間，用于分流瞬變電壓在光耦雙向可控硅寄生電容上產生的電流。通常使用50-100歐姆的電阻器。
該電路的工作原理是在每個電流過零點（如圖2所示）上產生峰值電壓，即便光耦雙向可控硅內置電壓過零電路也是如此。
圖2：左)光耦雙向可控硅驅動電路；右)電流過零尖峰電壓
事實上，在光耦雙向可控硅電路內，雙向可控硅的 A1和 A2端子之間必須有電壓，才能向柵極上施加電流。雙向可控硅導通時的電壓降接近1V或1.5 V，這個壓降值不足以向柵極施加電流，因為該壓降小于光耦雙向可控硅壓降與G-A1結壓降之和（兩者的壓降都高于1V)。因此，每當負載電流過零點時，沒有電流施加到柵極，雙向可控硅關斷。
當雙向可控硅關斷時，線路電壓施加在雙向可控硅的端子上，該電壓必須將VTPeak 電壓提高到足夠高，才能使施加的柵極電流達到雙向可控硅IGT電流值。
圖2實驗使用了一個T2550-12G雙向可控硅(25 A，1200 V，50 mA IGT)，最高峰值電壓等于7.5 V(在負電壓轉換過程中)。假設 G-A1結和光耦雙向可控硅的典型壓降分別為0.8 V和1.1 V，這個實驗使用一個200歐姆電阻器R1取得28 mA柵極電流。對于我們所用樣品，這個電流是第三象限(負電壓VT 和負柵極電流)導通所需的電流IGT。
如果樣品的IGT電流接近最大指定值(50 mA)，VTPeak 電壓將會更高。因為IGT 值隨著溫度降低而升高，如果雙向可控硅的結溫較低， VTPeak 電壓將會更高。
因為VTPeak電壓的頻率是線路電壓頻率的兩倍(若市電50 Hz ，則該電壓頻率是100 Hz)，其EMI噪聲輻射超出了EN 55014-1電器設備和電動工具標準規定的輻射限制。還應指出地是，這個噪聲只在雙向可控硅導通時才會出現。只要繞過繼電器，噪聲就會消失。EN 55014-1斷續干擾限制規定與反復率(或“click”)有關，即混合式繼電器的工作頻率和干擾時長。
為避免這些電壓峰值，在光耦雙向可控硅與脈沖變壓器之間優先選擇脈沖變壓器。在變壓器二次側增加一個整流全橋和一個電容器，用于修平整流電壓，為驅動雙向可控硅柵極提供直流電流。因此，在電流過零點不再有尖峰電壓，不過，當導通狀態從機電繼電器轉換到雙向可控硅時，還會發生電磁干擾。只有在混合式繼電器關閉時才會發生導通轉換。圖 3.a描述了這個階段發生的尖峰電壓；時間恰好是在雙向可控硅導通時，整個負載電流從繼電器突然切換到雙向可控硅。圖 3.b圖所示是雙向可控硅上電流上升過程的放大圖。dIT/t速率接近8 A/?s。雙向可控硅被觸發時還沒有導通（因為全部電流還是流經機械繼電器），當電流開始流經可控硅時，硅襯底具有很高的電阻。高電阻將會產生高峰值電壓，在圖3使用T2550-12G進行的實驗中，該峰壓為11.6 V。
在雙向可控硅開始導通后，其硅結構的正反面P-N結將向硅襯底注入少數載流子，這會降低襯底的電阻，將通態電壓降至約1V-1.5 V。
這種現象與PIN二極管上的峰值壓降現象相同，導通時電流上升速率高，所以PIN二極管數據手冊給出VFP 峰壓，該參數大小與適用的dI/dt參數有關，如果是高頻開關應用，該參數將會影響能效。在混合式繼電器中，VFP 電壓只在繼電器關閉時才會出現，計算功率損耗時無需考慮。
還應注意地是，既然VFP 現象是因注入少數載流子以控制襯底電阻所用時間造成的，1200V的雙向可控硅的VFP高于800V解決方案的VFP，例如，T2550-8。因此，必須精心挑選器件所能承受的VFP電壓，因為過高的余量將會導致雙向可控硅導通時峰壓較高。
雖然峰壓實際測量值高于在光耦雙向可控硅電路上測量到的峰壓，但是，因為這種現象只是在混合式繼電器關閉時每周期出現一次，且持續時間只有幾毫秒，所以，EMI電磁干擾還是降低了。盡管脈沖變壓器使用昂貴的鐵氧磁芯，體積大，成本高，考慮到這個原因，脈沖變壓器驅動電路依然是首選。
圖3：混合式繼電器關閉(a) – 接通時的放大圖(b)
3/降低VFP 峰壓的技巧
為減少混合式繼電器上的VFP 現象，在控制電路上可以考慮幾個簡單的設計技巧。
效果最好的辦法是控制繼電器在負電流導通期間關閉。事實上，負電流時VFP 現象較低。圖4所示是在與圖3 b 相同的測試條件下測量到的VFP電壓，唯一區別是負電流。不難看出，VFP 電壓降低二分之一，從正電流的11.6 V降至現在的5.5 V。負電流時VFP 降低是因為硅結構在第三象限比在第二象限容易導通，(A2-A1正電壓和柵極負電流)。
圖4：負開關電流時的VFP。
第二個技巧是提高雙向可控硅柵極電流。例如，當施加100 mA柵極電流，而不是指定的IGT 電流(50 mA)時，T2550-12G雙向可控硅VFP電壓降低二分之一或三分之一，特別是正開關電流的情況。
另一個降低VFP 電壓的解決辦法是在電流過零點附近釋放繼電器。事實上，限制開關電流也會限制雙向可控硅導通時施加的dIT/dt電流上升速率。當然，實現這樣一個解決方案，必須選擇關斷時間僅幾毫秒的機械繼電器。
給雙向可控硅串聯的一個電感器，也可以降低dIT/dt上升速率。這里不建議機械繼電器與雙向可控硅之間采用短PCB跡線設計。
結論
混合式繼電器的普及率不斷提高，使用壽命長，尺寸緊湊，正好符合開關柜的需求。本文解釋了尖峰電壓產生的原因，并討論了降低尖峰電壓的解決方法，例如，在負電流導通時關斷繼電器，在柵極施加更大的直流電流，給雙向可控硅串聯一個電感器。