利用智能交流電控制增加家電系統(tǒng)的安全性

如今，全世界至少有60%的家庭用品采用了電子器件。對(duì)于在售的電器設(shè)備來說，已經(jīng)完成從原來的機(jī)電式到數(shù)字控制的升級(jí)，目前的系統(tǒng)架構(gòu)都是圍繞著微處理器、分立晶體管和高壓可控硅來實(shí)現(xiàn)的。這一變化某種程度上也是由于節(jié)能和節(jié)水，以及增加消費(fèi)者的易用性等方面的需求增長所促進(jìn)的結(jié)果。

對(duì)于家用電器設(shè)備制造商來說，性能和成本效益始終是主要的挑戰(zhàn)，而市場的全球化和標(biāo)準(zhǔn)也為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)增加了難度。正是由于這一點(diǎn)使得交流電源的控制不斷發(fā)生改變。家電市場上的差異化方面的強(qiáng)烈需求迫使制造商改進(jìn)系統(tǒng)的電器性能，并提供在正常工作或待機(jī)模式下節(jié)電或節(jié)能方面的新功能。

性能和安全方面的改進(jìn)

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師的目標(biāo)是追求高的抗干擾性能并增加魯棒性。IEC61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)涉及的是交流電源線方面的電磁兼容要求，例如高壓浪涌、快速瞬變沖擊以及靜電放電。該標(biāo)準(zhǔn)定義了電源控制板抗干擾的等級(jí)和具體標(biāo)準(zhǔn)值，并要求逐步增加家電系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。

例如，在冰箱設(shè)計(jì)中，通過利用數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)更好的食品保存性能和更高的壓縮機(jī)效率：即可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)3℃溫差的箱體降低20%的功耗。在洗衣機(jī)中的一個(gè)安全方面的任務(wù)是能夠收集并分析電氣和洗衣參數(shù)，避免出現(xiàn)溢水或缺水。能夠在電源控制電路的幫助下，實(shí)現(xiàn)命令停止加熱器件，打開水閥或打開排水泵。

固態(tài)交流開關(guān)方面的連續(xù)改進(jìn)

在早期的電路板上，可控硅滿足了緊湊簡潔的應(yīng)用。可控硅的體積比電流小于1安培的繼電器小5倍，但卻提供了無EMI干擾的開關(guān)性能、快速響應(yīng)時(shí)間和數(shù)百萬次的開關(guān)周期可靠性，還有較低功耗的驅(qū)動(dòng)。為了進(jìn)一步簡化電源設(shè)計(jì)，對(duì)可控硅進(jìn)行了改進(jìn)，去掉了與標(biāo)準(zhǔn)的可控硅并聯(lián)的緩沖電路，設(shè)計(jì)師只需考慮根據(jù)載荷關(guān)斷電流來選擇的整流參數(shù)(dI/dt)C。

不過，可控硅僅在其額定阻斷電壓(VDRM/VRRM)范圍內(nèi)是可靠的。在此范圍以外，過壓將會(huì)使其開關(guān)性能永久變壞：一個(gè)不受控的過壓觸發(fā)將會(huì)激發(fā)其結(jié)區(qū)中的熱點(diǎn)。因此，可控硅必須利用外部的抑制器進(jìn)行保護(hù)。

最關(guān)鍵的約束是在IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)中描述的電壓浪涌。通常要求能夠抗2kV
1.2/50us的浪涌。為了能夠抗此40焦耳的浪涌，可以采用以下兩種主要方法：鉗制―利用像壓敏電阻這樣的外部電壓抑制器來吸收浪涌能量；短路器(Crowbar)―可控硅安全接通，浪涌能量被消耗到負(fù)載阻抗中。

新型的受保護(hù)的可控硅基于雙面全平面(bi-face full
planar)技術(shù)開發(fā)，具有優(yōu)異的內(nèi)置過壓魯棒性，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)端電壓超過雪崩電壓時(shí)，開關(guān)可靠地觸發(fā)至短路模式。該電壓迅速地降到幾伏，過壓電壓被轉(zhuǎn)換成電流流過開關(guān)。平面工藝的交流開關(guān)隨后在周期的末尾重新恢復(fù)阻斷功能，這與IEC60730標(biāo)準(zhǔn)是一致的。

ACS在實(shí)現(xiàn)可靠性和設(shè)計(jì)容易性的集成目標(biāo)同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的改進(jìn)。這種新開關(guān)中集成了一個(gè)門電平變換器(gate level
shifter)，使得MCU邏輯電平驅(qū)動(dòng)具有更高的抗電氣瞬變干擾的性能。例如，0.8A的開關(guān)能保證500V/us的抗浪涌能力，是具有相同門敏感度(IGT=10mA)對(duì)應(yīng)的可控硅的10倍。