利用智能交流電控制增加家電系統(tǒng)的安全性

如今，全世界至少有60%的家庭用品采用了電子器件。對于在售的電器設備來說，已經(jīng)完成從原來的機電式到數(shù)字控制的升級，目前的系統(tǒng)架構都是圍繞著微處理器、分立晶體管和高壓可控硅來實現(xiàn)的。這一變化某種程度上也是由于節(jié)能和節(jié)水，以及增加消費者的易用性等方面的需求增長所促進的結果。

對于家用電器設備制造商來說，性能和成本效益始終是主要的挑戰(zhàn)，而市場的全球化和標準也為應對這些挑戰(zhàn)增加了難度。正是由于這一點使得交流電源的控制不斷發(fā)生改變。家電市場上的差異化方面的強烈需求迫使制造商改進系統(tǒng)的電器性能，并提供在正常工作或待機模式下節(jié)電或節(jié)能方面的新功能。

性能和安全方面的改進

當設計一個控制系統(tǒng)時，設計師的目標是追求高的抗干擾性能并增加魯棒性。IEC61000-4系列標準涉及的是交流電源線方面的電磁兼容要求，例如高壓浪涌、快速瞬變沖擊以及靜電放電。該標準定義了電源控制板抗干擾的等級和具體標準值，并要求逐步增加家電系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。

例如，在冰箱設計中，通過利用數(shù)字控制實現(xiàn)更好的食品保存性能和更高的壓縮機效率：即可以實現(xiàn)一個3℃溫差的箱體降低20%的功耗。在洗衣機中的一個安全方面的任務是能夠收集并分析電氣和洗衣參數(shù)，避免出現(xiàn)溢水或缺水。能夠在電源控制電路的幫助下，實現(xiàn)命令停止加熱器件，打開水閥或打開排水泵。

固態(tài)交流開關方面的連續(xù)改進

在早期的電路板上，可控硅滿足了緊湊簡潔的應用?？煽毓璧捏w積比電流小于1安培的繼電器小5倍，但卻提供了無EMI干擾的開關性能、快速響應時間和數(shù)百萬次的開關周期可靠性，還有較低功耗的驅(qū)動。為了進一步簡化電源設計，對可控硅進行了改進，去掉了與標準的可控硅并聯(lián)的緩沖電路，設計師只需考慮根據(jù)載荷關斷電流來選擇的整流參數(shù)(dI/dt)C。

不過，可控硅僅在其額定阻斷電壓(VDRM/VRRM)范圍內(nèi)是可靠的。在此范圍以外，過壓將會使其開關性能永久變壞：一個不受控的過壓觸發(fā)將會激發(fā)其結區(qū)中的熱點。因此，可控硅必須利用外部的抑制器進行保護。

最關鍵的約束是在IEC61000-4-5標準中描述的電壓浪涌。通常要求能夠抗2kV
1.2/50us的浪涌。為了能夠抗此40焦耳的浪涌，可以采用以下兩種主要方法：鉗制―利用像壓敏電阻這樣的外部電壓抑制器來吸收浪涌能量；短路器(Crowbar)―可控硅安全接通，浪涌能量被消耗到負載阻抗中。

新型的受保護的可控硅基于雙面全平面(bi-face full
planar)技術開發(fā)，具有優(yōu)異的內(nèi)置過壓魯棒性，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。當端電壓超過雪崩電壓時，開關可靠地觸發(fā)至短路模式。該電壓迅速地降到幾伏，過壓電壓被轉(zhuǎn)換成電流流過開關。平面工藝的交流開關隨后在周期的末尾重新恢復阻斷功能，這與IEC60730標準是一致的。

ACS在實現(xiàn)可靠性和設計容易性的集成目標同時，還實現(xiàn)了進一步的改進。這種新開關中集成了一個門電平變換器(gate level
shifter)，使得MCU邏輯電平驅(qū)動具有更高的抗電氣瞬變干擾的性能。例如，0.8A的開關能保證500V/us的抗浪涌能力，是具有相同門敏感度(IGT=10mA)對應的可控硅的10倍。