利用智能交流控制设计方法实现更好的家电安全

从机电到数字控制的转变首先是通过现成的电子设备完成的——系统架构是围绕 MCU、分立晶体管和高压双向可控硅构建的。

家用电器的这场小型革命部分是由于减少能源和水的浪费以及提高易用性的需求日益增长而推动的。

随着市场及其标准的化，性能和成本效率一直是家电制造商面临的挑战。这改变了交流电源控制的面貌。

在设计控制系统时，设计人员的目标是提高电气抗扰度和鲁棒性。IEC61000-4系列标准涉及与交流线路相关的EMC要求，例如高压浪涌、电气快速瞬变突发和静电放电。

该标准定义了电源控制板的抗扰度等级和标准，并要求逐步提高家电系统的抗扰度和鲁棒性。

例如，在制冷设计中，通过使用数字控制可以实现更好的食品保存和更高的压缩机效率；机柜温度滞后可达 3 摄氏度，功耗预计可降低 20%。

洗衣机中的安全任务可以收集和分析电气和洗涤参数，以避免洪水或缺水的风险。借助电源控制电路，可以发出停止加热元件、打开水阀或排水泵的命令。

图 1：使用平面交流开关消除了所有外部开关保护。

新兴解决方案

在批电子板中，三端双向可控硅开关元件满足了紧凑性的需求。它比亚安培范围内的继电器小五倍，提供无EMI开关操作、快速响应时间、数百万开关周期可靠性和更低的功耗驱动。

为了进一步简化电源设计，对双向可控硅进行了改进。取消了与标准双向可控硅并联的缓冲电路，设计人员只需关心根据负载关断电流选择的换向参数(dI/dt)c。

然而，双向可控硅技术仅在其额定阻断电压 (Vdrm / Vrrm) 的范围内才具有鲁棒性。超过此限制，过压可能会造成开关不可逆的退化——不受控制的过压触发会在结点区域引起热点。三端双向可控硅开关元件必须使用外部抑制器进行保护。

图 2：开关故障检测器操作（顶部）可防止对设备造成灾难性影响。

关键的限制是 IEC61000-4-5 标准中描述的电压浪涌。通常需要 2kV 1.2/50μs 电压电平。有两种主要的保护方法可以抵抗这种 40 焦耳 (J) 浪涌：

夹紧。压敏电阻等外部电压抑制器吸收浪涌能量。

撬棍。三端双向可控硅开关元件安全导通，浪涌能量消散到负载阻抗中。

三端双向可控硅开关的救援新型受保护的三端双向可控硅 开关

元件围绕双面全平面技术开发， 具有出色的内置过压鲁棒性，从而提高了系统可靠性。

当其端电压超过雪崩电压时，开关会在撬棒模式下安全地自触发。电压迅速下降到几伏，过压应力转化为流过开关的电流。然后，平面交流开关在线路周期结束时恢复其阻断能力。此行为符合 IEC60730 标准。

除了可靠性和设计简便性的集成目标之外，ACS 交换机还实现了进一步的发展（上图 1）。这款新型开关集成了栅极电平转换器，使 MCU 逻辑电平驱动具有更高的电气瞬态抗扰度。

例如，0.8A 开关可保证 500V/μs 的抗扰度，是具有相同栅极灵敏度 (Igt= 10mA) 的等效 1A 三端双向可控硅开关元件的 10 倍。

这样就不需要任何噪声抑制器，从而简化了设计，并且整个控制可以满足 IEC61000-4-4 标准。

在执行水阀开/关控制时，0.8A交流开关安全地承受关断操作，通过钳位吸收负载的感应能量。通过设计保证，开关能量能力通过高感性负载 28H 的严格测试得到证实。

ACS 开关的栅极结构在以前的三端双向可控硅开关结构中是不可能的，它允许芯片的背面保持电气稳定：可以在单框架封装中创建交流开关阵列，专用于洗碗机等设备的集中执行器驱动。

图3：所示为交流开关过热保护示例。

节能

电子控制通过消除启动器泄漏的原因并提供更好的温度控制来提高压缩机效率。

启动器是一个正温度系数 (PTC)电阻器，由于存在漏电流，因此会持续吸收 2.5W 的功率。如果固态交流开关在启动后关闭 PTC，则可以消除这些损耗。

更平滑的温度控制可将输入平均功率降低20%，并将压缩机的开关重复率提高50%。压缩机 10 年使用寿命相当于 270,000 次开/关循环，这证明了固态技术的使用是合理的。

凭借 2kV 过压鲁棒性和 200V/微秒瞬态抗扰度，新型平面三端双向可控硅开关元件可提供所需的断态可靠性（寿命的一半）。

与机电解决方案的系统成本类似，这使得冰箱或冰柜能够满足 A+ 级消费标签，确保更好的食品保存以及无火花和无电磁干扰的运行。

更紧密的关联

通过使用系统级封装和电源平面技术，可以设想交流开关和电源控制器的微模块组合。

由于ACS开关芯片背面具有稳定的电压，因此可以将其放置在电源IC旁边以实现故障检测或过载过热保护等新功能。

家用电器的安全性通过 UL 和 IEC 标准得到加强。设备控制监视交流开关的运行状态并检测故障模式。靠近开关，需要一个检测电路来感测交流操作。一些灾难性负载和设备故障可以被消除。

此外，实现开关热保护的能力开辟了防止过载效应的新方法。了解交流开关的热状态可以设计关断保护。

因此，如果电动执行器在终装配中误连接或在特殊应力下逐渐损坏，开关能够检测到这种故障。报警信号向设备控制装置提供信息，从而将维护操作限制为更换电动执行器而不是整个电子板。