【導讀】供暖、通風和空調（HVAC）市場正以6%的復合年增長率增長，因為空調系統的年出貨量預計將從2020年的1.1億臺增長到2024年的1.4億臺1。大型商業系統將因新的醫療、教育、倉庫、政府辦公室和零售設施的建設而具有最高的增長率。
這些新設施中的大部分系統將是智能 HVAC 系統，因為政府采取了減少能源消耗和改善室內空氣質量的舉措。空氣質量的改善有助于營造更健康的環境，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 系統必須在保持健康環境的同時最大限度地減少能源消耗，在確保系統可靠性的同時最大限度地提高能源效率。
設計人員面臨著開發智能 HVAC 系統的挑戰，這些系統既節能又足夠強大，能夠承受過載和瞬態沖擊，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 系統的設計人員提供有關保護、控制和傳感元件的指導，以便將其納入他們的設計以實現效率和可靠性。圖 1 顯示了一個商業建筑中智能 HVAC 系統的示例。
圖 1. 多層建筑中的智能 HVAC 系統示例
圖 2 描繪了一個商業屋頂 HVAC 裝置，并突出顯示了主要的子系統電路模塊。每個模塊都列出了推薦的保護、控制和傳感元件，這些元件將在提供能源效率的同時確保過載和瞬態沖擊的安全性和魯棒性。
圖 2. 商用 HVAC 系統示例，顯示了確保可靠和高效系統所需的推薦保護、控制和傳感元件
保護 HVAC 系統并最大限度地降低其功耗
圖3和圖4顯示了商用 HVAC 系統電路的代表性框圖。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、控制和傳感元件
控制單元保護和安全元件
控制單元從交流電源獲取電力，并為控制電機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，應保護控制單元免受電流過載。由于HVAC系統為電機供電，熔斷器必須承受電機產生的沖擊電流。延時熔斷器（最好是雙熔絲熔斷器）將避免由于電機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的安全范圍，同時支持瞬時高浪涌電流。如果考慮使用斷路器，則應認識到熔斷器比斷路器運行更快；熔斷器不需要維護測試或校準。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。當額定電壓為600 V時，額定熔斷器電流可高達1200 A，以滿足大型暖通空調系統的要求。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，浪涌保護器由金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 和一個串聯熱檢測器組成。浪涌保護器可以安全地吸收高達 40 kA 的瞬變電流，并在 25 ns 內響應過載。
控制面板中的敏感電子電路需要保護，要求將瞬態鉗制到安全電壓水平。請研究使用與 MOV 串聯的雙向保護晶閘管。MOV 可以吸收高達 10 kA 或能量高達 400 J 的峰值浪涌電流。晶閘管具有撬棒式響應，可以在保持低鉗位電壓的同時處理大浪涌電流2。添加一個帶有晶閘管的 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的安全性。晶閘管-MOV 組合的漏電流低于單獨的 MOV，有助于降低能耗。
注意：有關晶閘管-MOV 組合提供浪涌保護的更多信息，請參閱由Littelfuse 公司提供的應用說明，《用于交流電源線應用的高功率半導體 Crowbar 保護器》。
快速瞬態仍然可以傳播到變壓器的次級——變壓器次級側的瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管鉗制這些瞬態。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。此外，TVS 二極管的響應時間極快，不到 1 ps。
HVAC電機保護
通過監控電壓、電流和電機循環間隔來保護高成本的 HVAC 電機。
?監控電機電壓：使用三相電壓監控器，如果監控器檢測到電壓不平衡、高壓或相位故障，則關閉電機電源。
?監控電機電流：使用帶有磁性傳感器和輸出的電流監控繼電器，將電機電流反饋到控制電子設備。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。
?防止電機短循環：使用延時繼電器防止電機在斷電后過快重新啟動（短循環）。當多個電機必須以固定順序供電時，延時繼電器還可以允許排序。選擇固態延時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。
電機產生的噪聲和瞬變會干擾電子控制電路。考慮使用隔離開關為電機供電。具有過零激活功能的光隔離開關可最大限度地減少電機開啟期間瞬態的產生。
由于控制單元中的所有電路和高功率，確保系統在沒有關閉的控制面板門的情況下無法運行是至關重要的。簧片接近開關感應門的位置，防止人員意外接觸高壓。選擇具有適當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。確保接觸器尺寸合適，以支持電機馬力負載。尋找觸點具有高導電性和抗觸點氧化（氧化會降低接觸器的使用壽命）的接觸器。
在電機驅動線上添加電容器以進行功率因數校正。這也降低了系統功耗。確保電容器符合 UL 標準 810 和 EIA 標準 RS-456。尋求較長的使用壽命以實現最大的系統可靠性。
使用變壓器降壓和隔離交流線路電壓以產生控制電壓。請選擇 UL 和 CUL 標準 5085 認可的元件。
圖 4. 顯示推薦用于其它電路的保護、控制和傳感元件的HVAC 框圖
整流器保護和高效元件
整流器電路將交流電源電壓轉換為直流電壓，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。低功耗整流器產生的熱量更少，并且需要更小的散熱器，從而節省成本和電路板空間。功率整流器采用單個封裝，以節省更多空間。圖 5 顯示了一個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、保護和高效元件
逆變器將直流電壓轉換為驅動電機所需的交流電壓。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。可以考慮使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，它具有快速的開關時間，可減少在開關狀態之間轉換期間的功率損耗。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、節省空間的封裝。三個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。考慮使用柵極驅動器芯片組來控制 IGBT 模塊。柵極驅動器提供低于 20 ns 的上升時間，以促進 IGBT 的高效、快速開關。
圖 6. 內置溫度傳感器的三相半橋 IGBT 功率晶體管模塊
IGBT的高速開關降低了功耗；然而，它的關斷瞬態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并提高相對于集電極電壓的柵極電壓。這減緩了瞬態電壓的上升速度。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技術。有關有源鉗位對 IGBT 保護的好處的更多詳細信息，請參見參考的應用說明3。
如果選定的 IGBT 芯片組沒有用于監測溫度的內部熱敏電阻，則使用負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻。如果功率半導體的結溫超過其額定值，那么它們可能會發生熱失控。請確保外部熱敏電阻有足夠的量程來監測 IGBT 可以達到的最高溫度。在 TO 型半導體封裝中使用單獨 的IGBT 時，熱敏電阻可直接安裝在封裝上。
請使用快速熔斷器來保護逆變器電路免受短路情況的影響。適當的高速熔斷器將在一秒鐘內響應 400% 的過載而斷開，以保護半導體。用于保護電源電路的高速熔斷器型的額定電流高達 800 A，額定電壓為 750 V。
通訊接口ESD保護元件
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境中，因此使用雙向 TVS 二極管提供 ESD 保護，該二極管將吸收任一極性的 ESD 沖擊。請選擇一個額定可承受高達 ± 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 保護元件
如果操作員通過觸摸屏界面與系統交互，請考慮使用聚合物 ESD 抑制器來保護 Wi-Fi 芯片組免受 ESD 影響。聚合物 ESD 抑制器可在 1 ns 內響應瞬態。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 保護的型號。
模擬前端保護元件
模擬前端通過電力線通信協議經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的電壓瞬變。請考慮大功率 TVS 二極管，它可以吸收高達 15 kW 的峰值脈沖功率。
適用標準
表 1 列出了工業控制面板、HVAC 系統和 ESD 保護的重要安全標準。在開發項目的早期階段應盡快制定符合這些標準的計劃。否則，在經過認證的測試實驗室發現故障后修改設計會增加項目成本并延遲產品推出。
表 1. HVAC 系統、工業控制面板和 ESD 魯棒性的適用標準
強大可靠和節電節能設計的價值
通過將保護和傳感元件作為設計目標并在項目早期納入標準合規性，設計人員可以經濟高效地開發強大而可靠的 HVAC 系統。使用高效的控制元件可以促進低功耗產品的開發。在選擇保護、控制和傳感元件時，利用元件制造商的工程專業知識節省寶貴的開發時間。制造商的應用工程師可以協助選擇符合適用標準的元件。一些制造商可以協助進行一致性預測試，以幫助設計人員降低一致性測試成本。可靠性和效率提高了 HVAC 系統的聲譽，從而導致市場份額和收入的增長。
參考文獻
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公司電子業務部全球戰略營銷經理
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