智能暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性和效率如何實(shí)現(xiàn)？

供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）市場正以6%的復(fù)合年增長率增長，因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的年出貨量預(yù)計(jì)將從2020年的1.1億臺增長到2024年的1.4億臺1。大型商業(yè)系統(tǒng)將因新的醫(yī)療、教育、倉庫、政府辦公室和零售設(shè)施的建設(shè)而具有最高的增長率。

這些新設(shè)施中的大部分系統(tǒng)將是智能 HVAC 系統(tǒng)，因?yàn)檎扇×藴p少能源消耗和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的舉措?？諝赓|(zhì)量的改善有助于營造更健康的環(huán)境，減少居住者的疲勞，并提高工人的工作效率。因此，新的智能 HVAC 系統(tǒng)必須在保持健康環(huán)境的同時(shí)最大限度地減少能源消耗，在確保系統(tǒng)可靠性的同時(shí)最大限度地提高能源效率。

設(shè)計(jì)人員面臨著開發(fā)智能 HVAC 系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，這些系統(tǒng)既節(jié)能又足夠強(qiáng)大，能夠承受過載和瞬態(tài)沖擊，例如雷電引起的浪涌、靜電放電 (ESD) 和其它交流線路瞬變。以下段落將為智能 HVAC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供有關(guān)保護(hù)、控制和傳感元件的指導(dǎo)，以便將其納入他們的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)效率和可靠性。圖 1 顯示了一個(gè)商業(yè)建筑中智能 HVAC 系統(tǒng)的示例。

圖 1. 多層建筑中的智能 HVAC 系統(tǒng)示例

圖 2 描繪了一個(gè)商業(yè)屋頂 HVAC 裝置，并突出顯示了主要的子系統(tǒng)電路模塊。每個(gè)模塊都列出了推薦的保護(hù)、控制和傳感元件，這些元件將在提供能源效率的同時(shí)確保過載和瞬態(tài)沖擊的安全性和魯棒性。

圖 2. 商用 HVAC 系統(tǒng)示例，顯示了確?？煽亢透咝到y(tǒng)所需的推薦保護(hù)、控制和傳感元件

保護(hù) HVAC 系統(tǒng)并最大限度地降低其功耗

圖3和圖4顯示了商用 HVAC 系統(tǒng)電路的代表性框圖。兩張圖的框圖相同，但每張圖中推薦的元件適用于不同的電路模塊。圖3詳細(xì)介紹了控制單元的元件，圖4列出了其它電路的元件。

圖 3. HVAC 框圖顯示了推薦用于控制單元的保護(hù)、控制和傳感元件

控制單元保護(hù)和安全元件

控制單元從交流電源獲取電力，并為控制電機(jī)和所有電路模塊提供電力。交流電源可以是單相的或是三相的，它為控制單元供電。因此，控制單元會受到源自交流電源的過載和瞬變的影響。

從熔斷器開始，應(yīng)保護(hù)控制單元免受電流過載。由于HVAC系統(tǒng)為電機(jī)供電，熔斷器必須承受電機(jī)產(chǎn)生的沖擊電流。延時(shí)熔斷器（最好是雙熔絲熔斷器）將避免由于電機(jī)浪涌電流造成的干擾故障。雙熔絲熔斷器允許過載電路保護(hù)的安全范圍，同時(shí)支持瞬時(shí)高浪涌電流。如果考慮使用斷路器，則應(yīng)認(rèn)識到熔斷器比斷路器運(yùn)行更快；熔斷器不需要維護(hù)測試或校準(zhǔn)。確保所選熔斷器的額定電壓高于控制單元電路的最大工作電壓。當(dāng)額定電壓為600 V時(shí)，額定熔斷器電流可高達(dá)1200 A，以滿足大型暖通空調(diào)系統(tǒng)的要求。選擇具有高中斷額定值的熔斷器，以便熔斷器在最壞情況下的過載電流下安全斷開。該應(yīng)用的熔斷器具有200 kA的中斷額定值。最后，如果電路板或面板空間存在問題，則尋找滿足電氣要求且具有最小封裝尺寸的熔斷器。

高壓瞬變會在交流線路上引起大范圍的高壓干擾。請考慮使用浪涌保護(hù)器來防止快速高壓和大電流瞬變的雷擊。在每條交流電源線中，浪涌保護(hù)器由金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 和一個(gè)串聯(lián)熱檢測器組成。浪涌保護(hù)器可以安全地吸收高達(dá) 40 kA 的瞬變電流，并在 25 ns 內(nèi)響應(yīng)過載。

控制面板中的敏感電子電路需要保護(hù)，要求將瞬態(tài)鉗制到安全電壓水平。請研究使用與 MOV 串聯(lián)的雙向保護(hù)晶閘管。MOV 可以吸收高達(dá) 10 kA 或能量高達(dá) 400 J 的峰值浪涌電流。晶閘管具有撬棒式響應(yīng)，可以在保持低鉗位電壓的同時(shí)處理大浪涌電流2。添加一個(gè)帶有晶閘管的 MOV可允許使用具有低鉗位電壓的 MOV。該組合為下游電子電路提供了增強(qiáng)的安全性。晶閘管-MOV 組合的漏電流低于單獨(dú)的 MOV，有助于降低能耗。

注意：有關(guān)晶閘管-MOV 組合提供浪涌保護(hù)的更多信息，請參閱由Littelfuse 公司提供的應(yīng)用說明，《用于交流電源線應(yīng)用的高功率半導(dǎo)體 Crowbar 保護(hù)器》。

快速瞬態(tài)仍然可以傳播到變壓器的次級——變壓器次級側(cè)的瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管鉗制這些瞬態(tài)。TVS 二極管還通過安全地吸收空氣中的 15 kV 沖擊或直接接觸的 8 kV 沖擊來提供靜電放電 (ESD) 保護(hù)。此外，TVS 二極管的響應(yīng)時(shí)間極快，不到 1 ps。

HVAC電機(jī)保護(hù)

通過監(jiān)控電壓、電流和電機(jī)循環(huán)間隔來保護(hù)高成本的 HVAC 電機(jī)。

?監(jiān)控電機(jī)電壓：使用三相電壓監(jiān)控器，如果監(jiān)控器檢測到電壓不平衡、高壓或相位故障，則關(guān)閉電機(jī)電源。

?監(jiān)控電機(jī)電流：使用帶有磁性傳感器和輸出的電流監(jiān)控繼電器，將電機(jī)電流反饋到控制電子設(shè)備。磁性電流傳感器不在供電電路中，避免了該電路中的功率損耗。

?防止電機(jī)短循環(huán)：使用延時(shí)繼電器防止電機(jī)在斷電后過快重新啟動（短循環(huán)）。當(dāng)多個(gè)電機(jī)必須以固定順序供電時(shí)，延時(shí)繼電器還可以允許排序。選擇固態(tài)延時(shí)繼電器以延長使用壽命。密封封裝通過避免沖擊、振動和濕度退化來最大限度地延長使用壽命。

電機(jī)產(chǎn)生的噪聲和瞬變會干擾電子控制電路?？紤]使用隔離開關(guān)為電機(jī)供電。具有過零激活功能的光隔離開關(guān)可最大限度地減少電機(jī)開啟期間瞬態(tài)的產(chǎn)生。

由于控制單元中的所有電路和高功率，確保系統(tǒng)在沒有關(guān)閉的控制面板門的情況下無法運(yùn)行是至關(guān)重要的?；善咏_關(guān)感應(yīng)門的位置，防止人員意外接觸高壓。選擇具有適當(dāng)靈敏度的簧片傳感器型號。通過使用可避免接觸污染的密封型號最大限度地延長傳感器壽命。

使用接觸器將電源切換到控制單元的電路模塊和電機(jī)。確保接觸器尺寸合適，以支持電機(jī)馬力負(fù)載。尋找觸點(diǎn)具有高導(dǎo)電性和抗觸點(diǎn)氧化（氧化會降低接觸器的使用壽命）的接觸器。

在電機(jī)驅(qū)動線上添加電容器以進(jìn)行功率因數(shù)校正。這也降低了系統(tǒng)功耗。確保電容器符合 UL 標(biāo)準(zhǔn) 810 和 EIA 標(biāo)準(zhǔn) RS-456。尋求較長的使用壽命以實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)可靠性。

使用變壓器降壓和隔離交流線路電壓以產(chǎn)生控制電壓。請選擇 UL 和 CUL 標(biāo)準(zhǔn) 5085 認(rèn)可的元件。

圖 4. 顯示推薦用于其它電路的保護(hù)、控制和傳感元件的HVAC 框圖

整流器保護(hù)和高效元件

整流器電路將交流電源電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為逆變器以及通信和控制電路供電。請使用具有低正向電壓和低反向漏電流的整流器，以最大限度地減少整流器中的能量損失。低功耗整流器產(chǎn)生的熱量更少，并且需要更小的散熱器，從而節(jié)省成本和電路板空間。功率整流器采用單個(gè)封裝，以節(jié)省更多空間。圖 5 顯示了一個(gè)三相整流器封裝的示例。

圖 5. 整流二極管的三相封裝

逆變器傳感、保護(hù)和高效元件

逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)所需的交流電壓。該電源電路既需要高效以最大限度地降低功耗，又需要對電流過載和瞬變具有魯棒性?？梢钥紤]使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，它具有快速的開關(guān)時(shí)間，可減少在開關(guān)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換期間的功率損耗。請選擇 V CE(Sat)低于 2 V 且柵極漏電流低于 1 μA 的 IGBT 晶體管以獲得最大效率。半橋配置的三相 IGBT 模塊采用單一、節(jié)省空間的封裝。三個(gè)輸出具有幾乎相同的特性，從而簡化了控制要求。請參見圖 6?？紤]使用柵極驅(qū)動器芯片組來控制 IGBT 模塊。柵極驅(qū)動器提供低于 20 ns 的上升時(shí)間，以促進(jìn) IGBT 的高效、快速開關(guān)。 

圖 6. 內(nèi)置溫度傳感器的三相半橋 IGBT 功率晶體管模塊

IGBT的高速開關(guān)降低了功耗；然而，它的關(guān)斷瞬態(tài)電壓可能會超過晶體管的額定值并損壞 IGBT。在集電極和柵極之間使用 TVS 二極管可以鉗位瞬態(tài)并提高相對于集電極電壓的柵極電壓。這減緩了瞬態(tài)電壓的上升速度。在 IGBT 的集電極和柵極之間插入 TVS 二極管是一種稱為有源鉗位的保護(hù)技術(shù)。有關(guān)有源鉗位對 IGBT 保護(hù)的好處的更多詳細(xì)信息，請參見參考的應(yīng)用說明3。

如果選定的 IGBT 芯片組沒有用于監(jiān)測溫度的內(nèi)部熱敏電阻，則使用負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻。如果功率半導(dǎo)體的結(jié)溫超過其額定值，那么它們可能會發(fā)生熱失控。請確保外部熱敏電阻有足夠的量程來監(jiān)測 IGBT 可以達(dá)到的最高溫度。在 TO 型半導(dǎo)體封裝中使用單獨(dú) 的IGBT 時(shí)，熱敏電阻可直接安裝在封裝上。

請使用快速熔斷器來保護(hù)逆變器電路免受短路情況的影響。適當(dāng)?shù)母咚偃蹟嗥鲗⒃谝幻腌妰?nèi)響應(yīng) 400% 的過載而斷開，以保護(hù)半導(dǎo)體。用于保護(hù)電源電路的高速熔斷器型的額定電流高達(dá) 800 A，額定電壓為 750 V。

通訊接口ESD保護(hù)元件

通信接口以無線方式連接到恒溫器。由于通信接口暴露在外部環(huán)境中，因此使用雙向 TVS 二極管提供 ESD 保護(hù)，該二極管將吸收任一極性的 ESD 沖擊。請選擇一個(gè)額定可承受高達(dá) ± 15 kV 空氣和 ± 10 kV 人體接觸的二極管。為盡量減少對無線傳輸和接收完整性的影響，請使用電容低于 1 pF 的 TVS 二極管。

用戶界面 ESD 保護(hù)元件

如果操作員通過觸摸屏界面與系統(tǒng)交互，請考慮使用聚合物 ESD 抑制器來保護(hù) Wi-Fi 芯片組免受 ESD 影響。聚合物 ESD 抑制器可在 1 ns 內(nèi)響應(yīng)瞬態(tài)。請尋找漏電流低于 1 nA的型號，以最大限度地減少功耗。此外，請選擇低電容的 ESD 抑制器（低于 0.15 pF），以免信號通信失真。請確保選擇高額定值的空氣和直接接觸 ESD 保護(hù)的型號。

模擬前端保護(hù)元件

模擬前端通過電力線通信協(xié)議經(jīng)交流電源線與電力公司通信。該電路需要防止電源線上感應(yīng)的電壓瞬變。請考慮大功率 TVS 二極管，它可以吸收高達(dá) 15 kW 的峰值脈沖功率。

適用標(biāo)準(zhǔn)

表 1 列出了工業(yè)控制面板、HVAC 系統(tǒng)和 ESD 保護(hù)的重要安全標(biāo)準(zhǔn)。在開發(fā)項(xiàng)目的早期階段應(yīng)盡快制定符合這些標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃。否則，在經(jīng)過認(rèn)證的測試實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)故障后修改設(shè)計(jì)會增加項(xiàng)目成本并延遲產(chǎn)品推出。

表 1. HVAC 系統(tǒng)、工業(yè)控制面板和 ESD 魯棒性的適用標(biāo)準(zhǔn)

強(qiáng)大可靠和節(jié)電節(jié)能設(shè)計(jì)的價(jià)值

通過將保護(hù)和傳感元件作為設(shè)計(jì)目標(biāo)并在項(xiàng)目早期納入標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性，設(shè)計(jì)人員可以經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)強(qiáng)大而可靠的 HVAC 系統(tǒng)。使用高效的控制元件可以促進(jìn)低功耗產(chǎn)品的開發(fā)。在選擇保護(hù)、控制和傳感元件時(shí)，利用元件制造商的工程專業(yè)知識節(jié)省寶貴的開發(fā)時(shí)間。制造商的應(yīng)用工程師可以協(xié)助選擇符合適用標(biāo)準(zhǔn)的元件。一些制造商可以協(xié)助進(jìn)行一致性預(yù)測試，以幫助設(shè)計(jì)人員降低一致性測試成本?？煽啃院托侍岣吡?HVAC 系統(tǒng)的聲譽(yù)，從而導(dǎo)致市場份額和收入的增長。

參考文獻(xiàn)

1 HVAC System Market - Global Forecast to 2023. MarketsandMarkets. April 2018.

2 High Power Semiconductor Crowbar Protector for AC Power Line Applications. 2020 Littelfuse, Inc.

3 Application Note: Using High Voltage TVS Diodes in IGBT Active Clamp Applications. 2020 Littelfuse, Inc.

注：Ryan Sheahen是Littelfuse公司電子業(yè)務(wù)部全球戰(zhàn)略營銷經(jīng)理