供暖，通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）市場(chǎng)正以6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，因?yàn)锳C系統(tǒng)的年出貨量預(yù)計(jì)將從2020年的1.1億臺(tái)增長(zhǎng)到2024年的1.4億臺(tái)。1由于新的醫(yī)療保健，教育，倉(cāng)庫(kù)，政府辦公室和零售設(shè)施的建設(shè)，大型商業(yè)系統(tǒng)將具有最高的增長(zhǎng)率。

這些新設(shè)施中的大多數(shù)系統(tǒng)將是智能HVAC系統(tǒng)，因?yàn)檎苿?dòng)了減少能源消耗和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的舉措?？諝赓|(zhì)量的改善有助于更健康的環(huán)境，減少乘員疲勞，并提高工人的生產(chǎn)力。因此，新的智能HVAC系統(tǒng)必須在保持健康環(huán)境的同時(shí)最大限度地降低能耗，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)人員面臨的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)既節(jié)能又足夠堅(jiān)固的智能HVAC系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)過(guò)載和瞬態(tài)沖擊，例如雷電引起的浪涌，靜電放電（ESD）和其他交流線(xiàn)瞬變。以下段落將為智能HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供有關(guān)保護(hù)，控制和傳感組件的指導(dǎo)，以納入其設(shè)計(jì)中，以實(shí)現(xiàn)效率和可靠性。

圖2描繪了一個(gè)商業(yè)屋頂HVAC單元，并突出顯示了主要的子系統(tǒng)電路塊。每個(gè)模塊都列出了推薦的保護(hù)、控制和傳感組件，這些組件將確保過(guò)載和瞬態(tài)沖擊的安全性和穩(wěn)健性，同時(shí)提供能量效率。

（圖 2.商用 HVAC 系統(tǒng)示例，顯示確保系統(tǒng)可靠高效所需的推薦保護(hù)、控制和傳感組件）

保護(hù)暖通空調(diào)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。兩個(gè)圖的框圖是相同的，但每個(gè)圖中的推薦元件適用于不同的電路塊。圖3詳細(xì)介紹了控制單元的組件，圖4列出了其他電路的組件。

（圖 3.HVAC 框圖顯示了為控制單元推薦的保護(hù)、控制和傳感組件）

控制單元保護(hù)和安全組件

控制單元從交流電源獲取電力，并提供控制電機(jī)和所有電路塊的電力。交流電源可以是單相或三相，為控制單元供電。因此，控制單元會(huì)受到源自交流電源的過(guò)載和瞬變的影響。

從保險(xiǎn)絲開(kāi)始，以保護(hù)控制單元免受電流過(guò)載的影響。由于HVAC系統(tǒng)為電機(jī)供電，因此保險(xiǎn)絲必須承受電機(jī)吸收的浪涌電流。延時(shí)保險(xiǎn)絲，最好是雙元件保險(xiǎn)絲，將避免由于電機(jī)浪涌電流引起的干擾故障。雙元件保險(xiǎn)絲允許安全調(diào)整過(guò)載電路保護(hù)尺寸，同時(shí)支持瞬時(shí)高浪涌電流。如果正在考慮斷路器，請(qǐng)注意保險(xiǎn)絲的運(yùn)行速度比斷路器快;保險(xiǎn)絲不需要維護(hù)測(cè)試或校準(zhǔn)。確保所選保險(xiǎn)絲的額定電壓高于控制單元電路的最大工作電壓。額定電壓為 600 V，額定熔斷器額定電流可高達(dá) 1200 A，以滿(mǎn)足大型 HVAC 系統(tǒng)的要求。選擇具有高中斷額定值的保險(xiǎn)絲，以便保險(xiǎn)絲打開(kāi)并中斷最壞情況下的過(guò)載。此應(yīng)用的保險(xiǎn)絲的分?jǐn)囝~定值為 200 kA。最后，如果電路板或面板空間是一個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)尋找符合電氣要求并具有盡可能小封裝尺寸的保險(xiǎn)絲。

高壓瞬變會(huì)在交流線(xiàn)路上引起各種高壓干擾?？紤]使用浪涌保護(hù)器來(lái)防止雷擊，雷擊是快速的高電壓和高電流瞬變。電涌保護(hù)器由金屬氧化物壓敏電阻（MOV）組成，每個(gè)交流電源線(xiàn)路中都有一個(gè)串聯(lián)的熱探測(cè)器。浪涌保護(hù)器可以安全地吸收高達(dá)40 kA的瞬變，并在25 ns以下響應(yīng)過(guò)載。

控制面板中的敏感電子電路需要保護(hù)，要求將瞬變鉗位到安全電壓水平。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)，可以處理大浪涌電流，同時(shí)保持低箝位電壓。2在晶閘管上添加一個(gè)MOV允許使用具有低箝位電壓的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組合本身的漏電流低于MOV，有助于降低能耗。

注意：有關(guān)晶閘管-MOV 組合提供的浪涌保護(hù)的更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記“用于交流電力線(xiàn)應(yīng)用的高功率半導(dǎo)體撬棒保護(hù)器”，由 Littelfuse， Inc 提供。

快速瞬變?nèi)钥蓚鞑サ阶儔浩鞯拇渭?jí)端——變壓器次級(jí)側(cè)的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管會(huì)箝位這些瞬變。TVS二極管還通過(guò)安全地吸收15 kV的空氣沖擊或8 kV的直接接觸沖擊來(lái)提供靜電放電（ESD）保護(hù)。此外，TVS二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間，低于1 ps。

暖通空調(diào)電機(jī)保護(hù)

通過(guò)監(jiān)控電壓、電流和電機(jī)循環(huán)間隔來(lái)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(cè)到電壓不平衡、高電壓或相位故障，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)電流消耗反饋到控制電子設(shè)備。磁電流傳感器不在供電電路中，可避免該電路中的功率損耗。

防止電機(jī)短路循環(huán)：使用延時(shí)繼電器防止電機(jī)斷電后過(guò)快起動(dòng)（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，延長(zhǎng)使用壽命。封裝封裝通過(guò)避免沖擊、振動(dòng)和濕度下降來(lái)最大限度地延長(zhǎng)使用壽命。

電機(jī)產(chǎn)生的噪聲和瞬變會(huì)干擾電子控制電路?？紤]使用隔離開(kāi)關(guān)為電機(jī)供電。具有過(guò)零激活功能的光學(xué)隔離開(kāi)關(guān)可最大限度地減少電機(jī)導(dǎo)通期間瞬變的產(chǎn)生。

由于控制單元具有所有電路和高功率，因此確保系統(tǒng)在沒(méi)有關(guān)閉控制面板門(mén)的情況下無(wú)法運(yùn)行至關(guān)重要?；善咏_(kāi)關(guān)可感應(yīng)門(mén)的位置，防止人員意外接觸高壓。選擇具有適當(dāng)靈敏度的干簧傳感器型號(hào)。通過(guò)使用氣密密封的型號(hào)，避免接觸污染，從而最大限度地延長(zhǎng)傳感器壽命。

使用接觸器將電源切換到控制單元的電路塊和電機(jī)。確保接觸器尺寸合適，以支持電機(jī)馬力負(fù)載。尋找其觸點(diǎn)具有高導(dǎo)電性和抗接觸氧化性的接觸器，這會(huì)降低接觸器的使用壽命。

將電容器添加到電機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路以進(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(zhǎng)的使用壽命，以實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)可靠性。

降壓并用變壓器隔離交流線(xiàn)路電壓，以產(chǎn)生控制電壓。選擇 UL 和 CUL 標(biāo)準(zhǔn) 5085 認(rèn)可的組件。

（圖 4.HVAC 框圖顯示了其他電路的推薦保護(hù)、控制和傳感組件）

整流器保護(hù)和高效元件

整流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。使用具有低正向電壓和低反向泄漏電流的整流器，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，需要更小的散熱器，從而節(jié)省了成本和電路板空間。功率整流器采用單封裝，可節(jié)省更多空間。圖5所示為三相整流器封裝的示例。

（圖 5.整流二極管的 3 相封裝）

逆變器傳感、保護(hù)和高效組件

逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的交流電壓。該電源電路需要既要高效，以最大限度地降低功耗，又要對(duì)電流過(guò)載和瞬變具有魯棒性?？紤]使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT），其具有快速的開(kāi)關(guān)時(shí)間，可減少開(kāi)/關(guān)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換期間的功率損耗。選擇帶 V 的 IGBT 晶體管中歐（六）低于 2 V，柵極漏電流低于 1 μA，可實(shí)現(xiàn)最高效率。采用半橋配置的三相IGBT模塊采用節(jié)省空間的單封裝。這三個(gè)輸出具有幾乎相同的特性，從而簡(jiǎn)化了控制要求。參見(jiàn)圖6?？紤]使用柵極驅(qū)動(dòng)器芯片組來(lái)控制 IGBT 模塊。柵極驅(qū)動(dòng)器提供低于20 ns的上升時(shí)間，以促進(jìn)IGBT的高效、快速開(kāi)關(guān)。

（圖 6.帶內(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(kāi)關(guān)降低了功耗;然而，其關(guān)斷瞬態(tài)電壓可能超過(guò)晶體管的額定值并損壞IGBT。在集電極和柵極之間使用TVS二極管可以箝位瞬態(tài)并相對(duì)于集電極電壓提高柵極電壓。這減慢了瞬態(tài)電壓的上升速率。在IGBT的集電極和柵極之間插入TVS二極管是一種稱(chēng)為有源箝位的保護(hù)技術(shù)。有關(guān)有源箝位對(duì) IGBT 保護(hù)的優(yōu)勢(shì)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱參考的應(yīng)用筆記。3

如果所選IGBT芯片組沒(méi)有用于監(jiān)控溫度的內(nèi)部熱敏電阻，則采用負(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(guò)其額定值，則可能會(huì)受到熱失控的影響。確保外部熱敏電阻具有足夠的范圍來(lái)監(jiān)測(cè)IGBT可能達(dá)到的最高溫度。在 TO 型半導(dǎo)體封裝中使用單個(gè) IGBT 時(shí)，熱敏電阻可配備直接安裝在封裝上的接線(xiàn)片。

使用快速熔斷器保護(hù)逆變器電路免受短路情況的影響。適當(dāng)?shù)母咚俦ｋU(xiǎn)絲將在一秒鐘內(nèi)因400%過(guò)載而打開(kāi)，以保護(hù)半導(dǎo)體。用于保護(hù)電源電路的高速保險(xiǎn)絲型號(hào)的額定電流高達(dá) 800 A，額定電壓為 750 V。

通信接口 ESD 保護(hù)組件

通信接口無(wú)線(xiàn)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。選擇一個(gè)額定可承受高達(dá) ± 15 kV 空氣和 10 kV 人體接觸±二極管。為了將對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸和接收完整性的影響降至最低，請(qǐng)使用電容低于1 pF的TVS二極管。

用戶(hù)界面 ESD 保護(hù)組件

如果操作員通過(guò)觸摸屏界面與系統(tǒng)進(jìn)行交互，請(qǐng)考慮使用聚合物ESD抑制器來(lái)保護(hù)Wi-Fi芯片組免受ESD的影響。聚合物ESD抑制器在1 ns內(nèi)響應(yīng)瞬變。尋找漏電流低于 1 nA 的型號(hào)，以最大限度地降低功耗。此外，選擇具有低電容（低于0.15 pF）的ESD抑制器，以使信號(hào)通信不會(huì)失真。確保選擇額定具有高水平空氣和直接接觸 ESD 保護(hù)的型號(hào)。

模擬前端保護(hù)組件

模擬前端通過(guò)電力線(xiàn)通信協(xié)議通過(guò)交流電源與電源實(shí)用程序進(jìn)行通信。該電路需要保護(hù)電力線(xiàn)上感應(yīng)的電壓瞬變?？紤]一個(gè)高功率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(kāi)發(fā)項(xiàng)目的早期階段計(jì)劃符合這些標(biāo)準(zhǔn)。在經(jīng)過(guò)認(rèn)證的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)故障后修改設(shè)計(jì)會(huì)增加項(xiàng)目成本并延遲產(chǎn)品引入。

（表 1.暖通空調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)控制面板的適用標(biāo)準(zhǔn)和對(duì) ESD 的魯棒性）

堅(jiān)固和高能效設(shè)計(jì)的價(jià)值

設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)將保護(hù)和傳感組件作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，并在項(xiàng)目早期納入標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性，經(jīng)濟(jì)高效地開(kāi)發(fā)堅(jiān)固可靠的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(kāi)發(fā)。在選擇保護(hù)、控制和傳感組件時(shí)，利用組件制造商的工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，節(jié)省寶貴的開(kāi)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)的組件。一些制造商可以協(xié)助進(jìn)行預(yù)一致性測(cè)試，以幫助設(shè)計(jì)人員降低符合性測(cè)試成本?？煽啃院托侍岣吡薍VAC系統(tǒng)的聲譽(yù)，從而增加了市場(chǎng)份額和收入。

審核編輯：郭婷