利用智能交流控制設(shè)計方法實現(xiàn)更好的家電安全

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

從機(jī)電到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變首先是通過現(xiàn)成的電子設(shè)備完成的——系統(tǒng)架構(gòu)是圍繞 MCU、分立晶體管和高壓雙向可控硅構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計控制系統(tǒng)時，設(shè)計人員的目標(biāo)是提高電氣抗擾度和魯棒性。IEC61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)涉及與交流線路相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)定義了電源控制板的抗擾度等級和標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)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(jī)效率；機(jī)柜溫度滯后可達(dá) 3 攝氏度，功耗預(yù)計可降低 20%。
洗衣機(jī)中的安全任務(wù)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(fēng)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(guān)消除了所有外部開關(guān)保護(hù)。

新興解決方案
在批電子板中，三端雙向可控硅開關(guān)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(guān)操作、快速響應(yīng)時間、數(shù)百萬開關(guān)周期可靠性和更低的功耗驅(qū)動。
為了進(jìn)一步簡化電源設(shè)計，對雙向可控硅進(jìn)行了改進(jìn)。取消了與標(biāo)準(zhǔn)雙向可控硅并聯(lián)的緩沖電路，設(shè)計人員只需關(guān)心根據(jù)負(fù)載關(guān)斷電流選擇的換向參數(shù)(dI/dt)c。
然而，雙向可控硅技術(shù)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(guān)不可逆的退化——不受控制的過壓觸發(fā)會在結(jié)點區(qū)域引起熱點。三端雙向可控硅開關(guān)元件必須使用外部抑制器進(jìn)行保護(hù)。

圖 2：開關(guān)故障檢測器操作（頂部）可防止對設(shè)備造成災(zāi)難性影響。

關(guān)鍵的限制是 IEC61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(guān)元件安全導(dǎo)通，浪涌能量消散到負(fù)載阻抗中。
三端雙向可控硅開關(guān)的救援新型受保護(hù)的三端雙向可控硅 開關(guān)
元件圍繞雙面全平面技術(shù)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(dāng)其端電壓超過雪崩電壓時，開關(guān)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(yīng)力轉(zhuǎn)化為流過開關(guān)的電流。然后，平面交流開關(guān)在線路周期結(jié)束時恢復(fù)其阻斷能力。此行為符合 IEC60730 標(biāo)準(zhǔn)。
除了可靠性和設(shè)計簡便性的集成目標(biāo)之外，ACS 交換機(jī)還實現(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展（上圖 1）。這款新型開關(guān)集成了柵極電平轉(zhuǎn)換器，使 MCU 邏輯電平驅(qū)動具有更高的電氣瞬態(tài)抗擾度。
例如，0.8A 開關(guān)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(guān)元件的 10 倍。
這樣就不需要任何噪聲抑制器，從而簡化了設(shè)計，并且整個控制可以滿足 IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)。
在執(zhí)行水閥開/關(guān)控制時，0.8A交流開關(guān)安全地承受關(guān)斷操作，通過鉗位吸收負(fù)載的感應(yīng)能量。通過設(shè)計保證，開關(guān)能量能力通過高感性負(fù)載 28H 的嚴(yán)格測試得到證實。
ACS 開關(guān)的柵極結(jié)構(gòu)在以前的三端雙向可控硅開關(guān)結(jié)構(gòu)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(guān)陣列，專用于洗碗機(jī)等設(shè)備的集中執(zhí)行器驅(qū)動。

圖3：所示為交流開關(guān)過熱保護(hù)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(jī)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(guān)在啟動后關(guān)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(jī)的開關(guān)重復(fù)率提高50%。壓縮機(jī) 10 年使用壽命相當(dāng)于 270,000 次開/關(guān)循環(huán)，這證明了固態(tài)技術(shù)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(guān)元件可提供所需的斷態(tài)可靠性（壽命的一半）。
與機(jī)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(biāo)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(guān)聯(lián)
通過使用系統(tǒng)級封裝和電源平面技術(shù)，可以設(shè)想交流開關(guān)和電源控制器的微模塊組合。
由于ACS開關(guān)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(hù)等新功能。
家用電器的安全性通過 UL 和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)得到加強。設(shè)備控制監(jiān)視交流開關(guān)的運行狀態(tài)并檢測故障模式。靠近開關(guān)，需要一個檢測電路來感測交流操作。一些災(zāi)難性負(fù)載和設(shè)備故障可以被消除。
此外，實現(xiàn)開關(guān)熱保護(hù)的能力開辟了防止過載效應(yīng)的新方法。了解交流開關(guān)的熱狀態(tài)可以設(shè)計關(guān)斷保護(hù)。
因此，如果電動執(zhí)行器在終裝配中誤連接或在特殊應(yīng)力下逐漸損壞，開關(guān)能夠檢測到這種故障。報警信號向設(shè)備控制裝置提供信息，從而將維護(hù)操作限制為更換電動執(zhí)行器而不是整個電子板。