利用智能交流控制設計方法實(shí)現更好的家電安全

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

從機電到數字控制的轉變首先是通過(guò)現成的電子設備完成的——系統架構是圍繞 MCU、分立晶體管和高壓雙向可控硅構建的。
家用電器的這場(chǎng)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(cháng)而推動(dòng)的。
隨著(zhù)市場(chǎng)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。這改變了交流電源控制的面貌。
在設計控制系統時(shí)，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(xiàn)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的抗擾度和魯棒性。
例如，在制冷設計中，通過(guò)使用數字控制可以實(shí)現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(wù)可以收集和分析電氣和洗滌參數，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(kāi)水閥或排水泵的命令。

圖 1：使用平面交流開(kāi)關(guān)消除了所有外部開(kāi)關(guān)保護。

新興解決方案
在批電子板中，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件滿(mǎn)足了緊湊性的需求。它比亞安培范圍內的繼電器小五倍，提供無(wú)EMI開(kāi)關(guān)操作、快速響應時(shí)間、數百萬(wàn)開(kāi)關(guān)周期可靠性和更低的功耗驅動(dòng)。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電源設計，對雙向可控硅進(jìn)行了改進(jìn)。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(guān)心根據負載關(guān)斷電流選擇的換向參數(dI/dt)c。
然而，雙向可控硅技術(shù)僅在其額定阻斷電壓 (Vdrm / Vrrm) 的范圍內才具有魯棒性。超過(guò)此限制，過(guò)壓可能會(huì )造成開(kāi)關(guān)不可逆的退化——不受控制的過(guò)壓觸發(fā)會(huì )在結點(diǎn)區域引起熱點(diǎn)。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件必須使用外部抑制器進(jìn)行保護。

圖 2：開(kāi)關(guān)故障檢測器操作（頂部）可防止對設備造成災難性影響。

關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)的救援新型受保護的三端雙向可控硅 開(kāi)關(guān)
元件圍繞雙面全平面技術(shù)開(kāi)發(fā)， 具有出色的內置過(guò)壓魯棒性，從而提高了系統可靠性。
當其端電壓超過(guò)雪崩電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì )在撬棒模式下安全地自觸發(fā)。電壓迅速下降到幾伏，過(guò)壓應力轉化為流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流。然后，平面交流開(kāi)關(guān)在線(xiàn)路周期結束時(shí)恢復其阻斷能力。此行為符合 IEC60730 標準。
除了可靠性和設計簡(jiǎn)便性的集成目標之外，ACS 交換機還實(shí)現了進(jìn)一步的發(fā)展（上圖 1）。這款新型開(kāi)關(guān)集成了柵極電平轉換器，使 MCU 邏輯電平驅動(dòng)具有更高的電氣瞬態(tài)抗擾度。
例如，0.8A 開(kāi)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(kāi)關(guān)元件的 10 倍。
這樣就不需要任何噪聲抑制器，從而簡(jiǎn)化了設計，并且整個(gè)控制可以滿(mǎn)足 IEC61000-4-4 標準。
在執行水閥開(kāi)/關(guān)控制時(shí)，0.8A交流開(kāi)關(guān)安全地承受關(guān)斷操作，通過(guò)鉗位吸收負載的感應能量。通過(guò)設計保證，開(kāi)關(guān)能量能力通過(guò)高感性負載 28H 的嚴格測試得到證實(shí)。
ACS 開(kāi)關(guān)的柵極結構在以前的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)結構中是不可能的，它允許芯片的背面保持電氣穩定：可以在單框架封裝中創(chuàng )建交流開(kāi)關(guān)陣列，專(zhuān)用于洗碗機等設備的集中執行器驅動(dòng)。

圖3：所示為交流開(kāi)關(guān)過(guò)熱保護示例。

節能
電子控制通過(guò)消除啟動(dòng)器泄漏的原因并提供更好的溫度控制來(lái)提高壓縮機效率。
啟動(dòng)器是一個(gè)正溫度系數 (PTC)電阻器，由于存在漏電流，因此會(huì )持續吸收 2.5W 的功率。如果固態(tài)交流開(kāi)關(guān)在啟動(dòng)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%，并將壓縮機的開(kāi)關(guān)重復率提高50%。壓縮機 10 年使用壽命相當于 270,000 次開(kāi)/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(guò)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(kāi)關(guān)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成本類(lèi)似，這使得冰箱或冰柜能夠滿(mǎn)足 A+ 級消費標簽，確保更好的食品保存以及無(wú)火花和無(wú)電磁干擾的運行。
更緊密的關(guān)聯(lián)
通過(guò)使用系統級封裝和電源平面技術(shù)，可以設想交流開(kāi)關(guān)和電源控制器的微模塊組合。
由于A(yíng)CS開(kāi)關(guān)芯片背面具有穩定的電壓，因此可以將其放置在電源IC旁邊以實(shí)現故障檢測或過(guò)載過(guò)熱保護等新功能。
家用電器的安全性通過(guò) UL 和 IEC 標準得到加強。設備控制監視交流開(kāi)關(guān)的運行狀態(tài)并檢測故障模式?？拷_(kāi)關(guān)，需要一個(gè)檢測電路來(lái)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(shí)現開(kāi)關(guān)熱保護的能力開(kāi)辟了防止過(guò)載效應的新方法。了解交流開(kāi)關(guān)的熱狀態(tài)可以設計關(guān)斷保護。
因此，如果電動(dòng)執行器在終裝配中誤連接或在特殊應力下逐漸損壞，開(kāi)關(guān)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(dòng)執行器而不是整個(gè)電子板。