利用智能交流控制設計方法實現(xiàn)更好的家電安全

從機電到數(shù)字控制的轉變首先是通過現(xiàn)成的電子設備完成的——系統(tǒng)架構是圍繞 MCU、分立晶體管和高壓雙向可控硅構建的。

從機電到數(shù)字控制的轉變首先是通過現(xiàn)成的電子設備完成的——系統(tǒng)架構是圍繞 MCU、分立晶體管和高壓雙向可控硅構建的。
家用電器的這場小型革命部分是由于減少能源和水的浪費以及提高易用性的需求日益增長而推動的。
隨著市場及其標準的化，性能和成本效率一直是家電制造商面臨的挑戰(zhàn)。這改變了交流電源控制的面貌。
在設計控制系統(tǒng)時，設計人員的目標是提高電氣抗擾度和魯棒性。IEC61000-4系列標準涉及與交流線路相關的EMC要求，例如高壓浪涌、電氣快速瞬變突發(fā)和靜電放電。
該標準定義了電源控制板的抗擾度等級和標準，并要求逐步提高家電系統(tǒng)的抗擾度和魯棒性。
例如，在制冷設計中，通過使用數(shù)字控制可以實現(xiàn)更好的食品保存和更高的壓縮機效率；機柜溫度滯后可達 3 攝氏度，功耗預計可降低 20%。
洗衣機中的安全任務可以收集和分析電氣和洗滌參數(shù)，以避免洪水或缺水的風險。借助電源控制電路，可以發(fā)出停止加熱元件、打開水閥或排水泵的命令。

圖 1：使用平面交流開關消除了所有外部開關保護。

新興解決方案
在批電子板中，三端雙向可控硅開關元件滿足了緊湊性的需求。它比亞安培范圍內(nèi)的繼電器小五倍，提供無EMI開關操作、快速響應時間、數(shù)百萬開關周期可靠性和更低的功耗驅動。
為了進一步簡化電源設計，對雙向可控硅進行了改進。取消了與標準雙向可控硅并聯(lián)的緩沖電路，設計人員只需關心根據(jù)負載關斷電流選擇的換向參數(shù)(dI/dt)c。
然而，雙向可控硅技術僅在其額定阻斷電壓 (Vdrm / Vrrm) 的范圍內(nèi)才具有魯棒性。超過此限制，過壓可能會造成開關不可逆的退化——不受控制的過壓觸發(fā)會在結點區(qū)域引起熱點。三端雙向可控硅開關元件必須使用外部抑制器進行保護。

圖 2：開關故障檢測器操作（頂部）可防止對設備造成災難性影響。

關鍵的限制是 IEC61000-4-5 標準中描述的電壓浪涌。通常需要 2kV 1.2/50μs 電壓電平。有兩種主要的保護方法可以抵抗這種 40 焦耳 (J) 浪涌：
夾緊。壓敏電阻等外部電壓抑制器吸收浪涌能量。
撬棍。三端雙向可控硅開關元件安全導通，浪涌能量消散到負載阻抗中。
三端雙向可控硅開關的救援新型受保護的三端雙向可控硅 開關
元件圍繞雙面全平面技術開發(fā)， 具有出色的內(nèi)置過壓魯棒性，從而提高了系統(tǒng)可靠性。
當其端電壓超過雪崩電壓時，開關會在撬棒模式下安全地自觸發(fā)。電壓迅速下降到幾伏，過壓應力轉化為流過開關的電流。然后，平面交流開關在線路周期結束時恢復其阻斷能力。此行為符合 IEC60730 標準。
除了可靠性和設計簡便性的集成目標之外，ACS 交換機還實現(xiàn)了進一步的發(fā)展（上圖 1）。這款新型開關集成了柵極電平轉換器，使 MCU 邏輯電平驅動具有更高的電氣瞬態(tài)抗擾度。
例如，0.8A 開關可保證 500V/μs 的抗擾度，是具有相同柵極靈敏度 (Igt= 10mA) 的等效 1A 三端雙向可控硅開關元件的 10 倍。
這樣就不需要任何噪聲抑制器，從而簡化了設計，并且整個控制可以滿足 IEC61000-4-4 標準。
在執(zhí)行水閥開/關控制時，0.8A交流開關安全地承受關斷操作，通過鉗位吸收負載的感應能量。通過設計保證，開關能量能力通過高感性負載 28H 的嚴格測試得到證實。
ACS 開關的柵極結構在以前的三端雙向可控硅開關結構中是不可能的，它允許芯片的背面保持電氣穩(wěn)定：可以在單框架封裝中創(chuàng)建交流開關陣列，專用于洗碗機等設備的集中執(zhí)行器驅動。

圖3：所示為交流開關過熱保護示例。

節(jié)能
電子控制通過消除啟動器泄漏的原因并提供更好的溫度控制來提高壓縮機效率。
啟動器是一個正溫度系數(shù) (PTC)電阻器，由于存在漏電流，因此會持續(xù)吸收 2.5W 的功率。如果固態(tài)交流開關在啟動后關閉 PTC，則可以消除這些損耗。
更平滑的溫度控制可將輸入平均功率降低20%，并將壓縮機的開關重復率提高50%。壓縮機 10 年使用壽命相當于 270,000 次開/關循環(huán)，這證明了固態(tài)技術的使用是合理的。
憑借 2kV 過壓魯棒性和 200V/微秒瞬態(tài)抗擾度，新型平面三端雙向可控硅開關元件可提供所需的斷態(tài)可靠性（壽命的一半）。
與機電解決方案的系統(tǒng)成本類似，這使得冰箱或冰柜能夠滿足 A+ 級消費標簽，確保更好的食品保存以及無火花和無電磁干擾的運行。
更緊密的關聯(lián)
通過使用系統(tǒng)級封裝和電源平面技術，可以設想交流開關和電源控制器的微模塊組合。
由于ACS開關芯片背面具有穩(wěn)定的電壓，因此可以將其放置在電源IC旁邊以實現(xiàn)故障檢測或過載過熱保護等新功能。
家用電器的安全性通過 UL 和 IEC 標準得到加強。設備控制監(jiān)視交流開關的運行狀態(tài)并檢測故障模式?？拷_關，需要一個檢測電路來感測交流操作。一些災難性負載和設備故障可以被消除。
此外，實現(xiàn)開關熱保護的能力開辟了防止過載效應的新方法。了解交流開關的熱狀態(tài)可以設計關斷保護。
因此，如果電動執(zhí)行器在終裝配中誤連接或在特殊應力下逐漸損壞，開關能夠檢測到這種故障。報警信號向設備控制裝置提供信息，從而將維護操作限制為更換電動執(zhí)行器而不是整個電子板。