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利用智能交流控制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)更好的家電安全

發(fā)布時(shí)間:2023-07-31 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】從機(jī)電到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變首先是通過(guò)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(guò)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(chǎng)小型革命部分是由于減少能源和水的浪費(fèi)以及提高易用性的需求日益增長(zhǎng)而推動(dòng)的。

隨著市場(chǎng)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(jì)控制系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)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(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(biāo)準(zhǔn)定義了電源控制板的抗擾度等級(jí)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(jì)中,通過(guò)使用數(shù)字控制可以實(shí)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(jì)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(xiǎn)。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。


利用智能交流控制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)更好的家電安全
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(hù)。


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(nèi)的繼電器小五倍,提供無(wú)EMI開(kāi)關(guān)操作、快速響應(yīng)時(shí)間、數(shù)百萬(wàn)開(kāi)關(guān)周期可靠性和更低的功耗驅(qū)動(dòng)。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì),對(duì)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(jì)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(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(jié)點(diǎn)區(qū)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(hù)。


利用智能交流控制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)更好的家電安全
圖 2:開(kāi)關(guān)故障檢測(cè)器操作(頂部)可防止對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)的救援新型受保護(hù)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(nèi)置過(guò)壓魯棒性,從而提高了系統(tǒng)可靠性。

當(dāng)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(yīng)力轉(zhuǎn)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(jié)束時(shí)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(jì)簡(jiǎn)便性的集成目標(biāo)之外,ACS 交換機(jī)還實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器,使 MCU 邏輯電平驅(qū)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(shè)計(jì),并且整個(gè)控制可以滿(mǎn)足 IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)。

在執(zhí)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(fù)載的感應(yīng)能量。通過(guò)設(shè)計(jì)保證,開(kāi)關(guān)能量能力通過(guò)高感性負(fù)載 28H 的嚴(yán)格測(cè)試得到證實(shí)。

ACS 開(kāi)關(guān)的柵極結(jié)構(gòu)在以前的三端雙向可控硅開(kāi)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(kāi)關(guān)陣列,專(zhuān)用于洗碗機(jī)等設(shè)備的集中執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。


利用智能交流控制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)更好的家電安全
圖3:所示為交流開(kāi)關(guān)過(guò)熱保護(hù)示例。


節(jié)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(jī)效率。

啟動(dòng)器是一個(gè)正溫度系數(shù) (PTC)電阻器,由于存在漏電流,因此會(huì)持續(xù)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(jī)的開(kāi)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(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(jī)電解決方案的系統(tǒng)成本類(lèi)似,這使得冰箱或冰柜能夠滿(mǎn)足 A+ 級(jí)消費(fèi)標(biāo)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(yùn)行。

更緊密的關(guān)聯(lián)

通過(guò)使用系統(tǒng)級(jí)封裝和電源平面技術(shù),可以設(shè)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(wěn)定的電壓,因此可以將其放置在電源IC旁邊以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)或過(guò)載過(guò)熱保護(hù)等新功能。

家用電器的安全性通過(guò) UL 和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)得到加強(qiáng)。設(shè)備控制監(jiān)視交流開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)并檢測(cè)故障模式??拷_(kāi)關(guān),需要一個(gè)檢測(cè)電路來(lái)感測(cè)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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)熱保護(hù)的能力開(kāi)辟了防止過(guò)載效應(yīng)的新方法。了解交流開(kāi)關(guān)的熱狀態(tài)可以設(shè)計(jì)關(guān)斷保護(hù)。

因此,如果電動(dòng)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(kāi)關(guān)能夠檢測(cè)到這種故障。報(bào)警信號(hào)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(dòng)執(zhí)行器而不是整個(gè)電子板。


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