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功率技術/新能源  

智慧交流電控制技術提升家電系統安全性

上網時間: 2007年05月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:交流開關  ACS  智慧交流電控制 

如今,全世界至少有60%的家庭用品內含電子元件,同時,目前銷售中的電器設備也已完成從機電式到數位控制的升級。目前的系統架構均以微處理器、分離式電晶體和高壓三端雙向可控制矽來實現,而這種變化在某種程度上來說,也是由節能和節水,以及增加消費者易用性等需求所推動的。

對家電製造商而言,性能和成本效益始終是主要挑戰,而市場的全球化和標準也為應對這些挑戰增加了難度。這使交流電源的控制不斷產生改變。家電市場上的強烈差異化需求迫使製造商不斷改良系統的電氣性能,同時必須提供在正常運作或待機模式下的新興節電/節能功能。

性能與安全性的改良

在設計一個控制系統時,設計師的目標是追求高抗擾性並提升強韌性。IEC61000-4系列標準涉及了交流電源線方面的電磁相容要求,如高壓突波、快速瞬變衝擊與靜電放電。該標準定義了電源控制板抗干擾的等級和具體標準值,並要求逐步增加家電系統的抗干擾能力和強韌性。

例如,在冰箱設計中,透過採用數位控制,可實現一個溫差達3℃的箱體,並降低20%功耗,以提高食品保存性能及壓縮機效率。在洗衣機應用中,主要安全任務是收集並分析電氣和洗衣參數,避免出現溢水或缺水。而電源控制電路可協助實現命令停止加熱元件,打開水閥或打開排水泵。

固態交流開關的演進

在早期的電路板上,三端雙向可控制矽滿足了緊密精簡的應用需求。三端雙向可控制矽的體積比電流小於1安培的繼電器還小5倍,但提供了無EMI干擾的開關性能、快速響應時間和數百萬次的開關週期可靠性,以及較低功耗的驅動特性。為進一步簡化電源設計,目前業者已對三端雙向可控制矽進行了改良,去除了與標準三端雙向可控制矽並聯的緩衝電路,設計師只需考慮根據負載關斷電流來選擇的整流參數(dI/dt)C。

不過,只有在其額定阻斷電壓(VDRM/VRRM)範圍內,三端雙向可控制矽才是可靠的。在此範圍以外,過壓將使其開關性能永久變壞:一個不受控的過壓觸發將會激發其結區中的熱點。因此,三端雙向可控制矽必須利用外部抑制器進行保護。

最關鍵的約束是在IEC61000-4-5標準中描述的電壓突波。通常要求能抵抗2kV 1.2/50us的突波。為了能抵抗此40焦耳的突波,可採用以下兩種方法:箝位─利用像壓敏電阻這類外部電壓抑制器以吸收突波能量;短路(Crowbar)─這種三端可控制矽能夠安全地接通,而突波能量將被分散到負載阻抗中。

這種受保護的新型三端雙向可控制矽採用雙面全平面(bi-face full planar)技術進行開發,具有良好的內建過壓強韌性,可提高系統可靠性。當終端電壓超過雪崩電壓時,開關會安全地自行觸發至短路模式。該電壓會迅速降到幾伏,過電壓被轉換成電流流過開關。採平面製程的交流開關隨後在週期結束時重新恢復阻斷功能,這符合IEC60730標準。

ACS在實現可靠性和設計容易性的整合目標同時,還實現了進一步的改良。這種新開關整合了一個閘電平移位器(gate level shifter),使MCU邏輯電平驅動具有更高的抗電氣瞬變干擾性能。例如,0.8A的開關能保證500V/us的抗突波能力,是具有相同閘敏感度(IGT=10mA)之三端雙向可控制矽的10倍。

由於不需要任何的噪音抑制器,可進一步簡化設計,而且整個控制能滿足IEC61000-4-4標準。在執行水閥開關控制時,一個0.8A交流開關能安全地承受切斷作業,利用箝位來吸收負載的感應能量。設計所保證的開關能量容量必須利用一個28H的高感應負載來進行苛刻的測試驗證。

目前,ACS開關的獨特閘架構使晶片的背部電氣性能更加穩定,這在早期的三端雙向可控制矽架構中是不可能實現的:交流開關陣列可整合在單一封裝內,專用於像洗碗機這類應用中的集中式致動器驅動。

圖1:受保護的交流開關:NeOS實例。
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圖1:受保護的交流開關:NeOS實例。

為冰箱節能

電氣控制透過消除起動器(starter)漏電並提供更好的溫度控制來改善壓縮機效率。起動器是一個正溫度係數電阻(PTC),它不斷地吸收因漏電而產生的2.5W能量。若啟動後用一個固態交流開關關掉PTC,就可以消除此損耗。平穩的溫度控制可減少20%的平均輸入功率,並可將壓縮機的開啟/關斷重複率增加50%。

壓縮機的10年壽命相當於27萬次的開啟/關斷週期,這可說明使用固態技術的意義。由於能抗2kV的過壓和200V/us的瞬態衝擊,新型平面三端雙向可控制矽或ACS提供了所需的斷態(off-state)可靠性。憑藉著與機電解決方案相近的系統成本,固態技術的突破使冰箱或其他冷卻設備得以滿足A+能耗標準,帶來更好的食品儲藏效果,同時消除了瞬間放電和EMI干擾。

圖2:開關故障檢測器防止家電產生災難性事件。
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圖2:開關故障檢測器防止家電產生災難性事件。

交流開關與控制

隨著系統級封裝和電源平面技術的應用,人們已經可以設想運用微型模組整合交流開關和電源控制。由於ACS晶片背後具有一個穩定的電壓,下一步它可以被替換成一個電源IC以實現新功能,如故障檢測或過載過熱保護。

UL和IEC標準增強了家電的安全要求。家電控制功能可監測交流開關的工作狀態並檢測故障模式,在靠近開關處,需利用一個檢測電路來感測AC的工作狀態。這可避免一些嚴重的負載和家電故障,如由三端雙向可控制矽二極體模式故障所引起的高電感負載DC作業,以及阻性負載的過熱,或由於開關短路引起的溢水。小型交流開關的創新設計,如ST公司的NeoS專案,主要透過以具成本效益的方式來檢測開關失效以應對這些挑戰。利用一個AC檢測器,便能監控所有的開關狀態,並與驅動程式進行比較,防止家電產生重大故障。

此外,利用開關實現熱保護功能則開闢了一種防止過載的全新途徑。透過得知交流開關的熱狀態,可設計一個切斷保護,因此,若在最後裝配階段,電氣致動器被錯接,或在特定應力作用下逐漸損壞,開關就能檢測出故障。預警訊號將資訊提供給控制電路,將維修範圍限制在致動器而非整個設備。

透過在各種惡劣環境下的嚴苛電氣負載,如冷卻風扇、排水泵或加熱元件的測試,已證明這類保護是可行的。目前,開關檢測和過載監控功能已能透過具成本效益的方式實現,加速了用於家電的遠端維修設備研發腳步。

本文小結

透過開發強韌的與全平面的交流電源開關和交流電源控制電路,將改善產品性能、節電和節省資源性能,以及用戶安全和易用性。這些元件增加了電源驅動過程中的電磁相容性能,其過壓強韌性和抗瞬態干擾的能力,將使設備能滿足並超越國際EMC標準。

在控制材料成本的同時,它們還提升了可靠性和應用控制的品質。由於其簡化了電源控制的設計,設計資源可重新集中到針對用戶的功能和系統差異化功能上。新一代智慧ACS打破了分離式元件的障礙,並與電源控制整合,共同改善了電氣負載的安全性能,提供了省時的故障診斷功能。

作者:

Thierry Castagnet

策略行銷經理

MPA部電源管理與工業控制ASD&IPAD分部

意法半導體公司





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