【导读】供暖、通风和空调（HVAC）市场正以6%的复合年增长率增长，因为空调系统的年出货量预计将从2020年的1.1亿台增长到2024年的1.4亿台1。大型商业系统将因新的医疗、教育、仓库、政府办公室和零售设施的建设而具有最高的增长率。
这些新设施中的大部分系统将是智能 HVAC 系统，因为政府采取了减少能源消耗和改善室内空气质量的举措。空气质量的改善有助于营造更健康的环境，减少居住者的疲劳，并提高工人的工作效率。因此，新的智能 HVAC 系统必须在保持健康环境的同时最大限度地减少能源消耗，在确保系统可靠性的同时最大限度地提高能源效率。
设计人员面临着开发智能 HVAC 系统的挑战，这些系统既节能又足够强大，能够承受过载和瞬态冲击，例如雷电引起的浪涌、静电放电 (ESD) 和其它交流线路瞬变。以下段落将为智能 HVAC 系统的设计人员提供有关保护、控制和传感元件的指导，以便将其纳入他们的设计以实现效率和可靠性。图 1 显示了一个商业建筑中智能 HVAC 系统的示例。
图 1. 多层建筑中的智能 HVAC 系统示例
图 2 描绘了一个商业屋顶 HVAC 装置，并突出显示了主要的子系统电路模块。每个模块都列出了推荐的保护、控制和传感元件，这些元件将在提供能源效率的同时确保过载和瞬态冲击的安全性和鲁棒性。
图 2. 商用 HVAC 系统示例，显示了确保可靠和高效系统所需的推荐保护、控制和传感元件
保护 HVAC 系统并最大限度地降低其功耗
图3和图4显示了商用 HVAC 系统电路的代表性框图。两张图的框图相同，但每张图中推荐的元件适用于不同的电路模块。图3详细介绍了控制单元的元件，图4列出了其它电路的元件。
图 3. HVAC 框图显示了推荐用于控制单元的保护、控制和传感元件
控制单元保护和安全元件
控制单元从交流电源获取电力，并为控制电机和所有电路模块提供电力。交流电源可以是单相的或是三相的，它为控制单元供电。因此，控制单元会受到源自交流电源的过载和瞬变的影响。
从熔断器开始，应保护控制单元免受电流过载。由于HVAC系统为电机供电，熔断器必须承受电机产生的冲击电流。延时熔断器（最好是双熔丝熔断器）将避免由于电机浪涌电流造成的干扰故障。双熔丝熔断器允许过载电路保护的安全范围，同时支持瞬时高浪涌电流。如果考虑使用断路器，则应认识到熔断器比断路器运行更快；熔断器不需要维护测试或校准。确保所选熔断器的额定电压高于控制单元电路的最大工作电压。当额定电压为600 V时，额定熔断器电流可高达1200 A，以满足大型暖通空调系统的要求。选择具有高中断额定值的熔断器，以便熔断器在最坏情况下的过载电流下安全断开。该应用的熔断器具有200 kA的中断额定值。最后，如果电路板或面板空间存在问题，则寻找满足电气要求且具有最小封装尺寸的熔断器。
高压瞬变会在交流线路上引起大范围的高压干扰。请考虑使用浪涌保护器来防止快速高压和大电流瞬变的雷击。在每条交流电源线中，浪涌保护器由金属氧化物压敏电阻 (MOV) 和一个串联热检测器组成。浪涌保护器可以安全地吸收高达 40 kA 的瞬变电流，并在 25 ns 内响应过载。
控制面板中的敏感电子电路需要保护，要求将瞬态钳制到安全电压水平。请研究使用与 MOV 串联的双向保护晶闸管。MOV 可以吸收高达 10 kA 或能量高达 400 J 的峰值浪涌电流。晶闸管具有撬棒式响应，可以在保持低钳位电压的同时处理大浪涌电流2。添加一个带有晶闸管的 MOV可允许使用具有低钳位电压的 MOV。该组合为下游电子电路提供了增强的安全性。晶闸管-MOV 组合的漏电流低于单独的 MOV，有助于降低能耗。
注意：有关晶闸管-MOV 组合提供浪涌保护的更多信息，请参阅由Littelfuse 公司提供的应用说明，《用于交流电源线应用的高功率半导体 Crowbar 保护器》。
快速瞬态仍然可以传播到变压器的次级——变压器次级侧的瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管钳制这些瞬态。TVS 二极管还通过安全地吸收空气中的 15 kV 冲击或直接接触的 8 kV 冲击来提供静电放电 (ESD) 保护。此外，TVS 二极管的响应时间极快，不到 1 ps。
HVAC电机保护
通过监控电压、电流和电机循环间隔来保护高成本的 HVAC 电机。
•监控电机电压：使用三相电压监控器，如果监控器检测到电压不平衡、高压或相位故障，则关闭电机电源。
•监控电机电流：使用带有磁性传感器和输出的电流监控继电器，将电机电流反馈到控制电子设备。磁性电流传感器不在供电电路中，避免了该电路中的功率损耗。
•防止电机短循环：使用延时继电器防止电机在断电后过快重新启动（短循环）。当多个电机必须以固定顺序供电时，延时继电器还可以允许排序。选择固态延时继电器以延长使用寿命。密封封装通过避免冲击、振动和湿度退化来最大限度地延长使用寿命。
电机产生的噪声和瞬变会干扰电子控制电路。考虑使用隔离开关为电机供电。具有过零激活功能的光隔离开关可最大限度地减少电机开启期间瞬态的产生。
由于控制单元中的所有电路和高功率，确保系统在没有关闭的控制面板门的情况下无法运行是至关重要的。簧片接近开关感应门的位置，防止人员意外接触高压。选择具有适当灵敏度的簧片传感器型号。通过使用可避免接触污染的密封型号最大限度地延长传感器寿命。
使用接触器将电源切换到控制单元的电路模块和电机。确保接触器尺寸合适，以支持电机马力负载。寻找触点具有高导电性和抗触点氧化（氧化会降低接触器的使用寿命）的接触器。
在电机驱动线上添加电容器以进行功率因数校正。这也降低了系统功耗。确保电容器符合 UL 标准 810 和 EIA 标准 RS-456。寻求较长的使用寿命以实现最大的系统可靠性。
使用变压器降压和隔离交流线路电压以产生控制电压。请选择 UL 和 CUL 标准 5085 认可的元件。
图 4. 显示推荐用于其它电路的保护、控制和传感元件的HVAC 框图
整流器保护和高效元件
整流器电路将交流电源电压转换为直流电压，为逆变器以及通信和控制电路供电。请使用具有低正向电压和低反向漏电流的整流器，以最大限度地减少整流器中的能量损失。低功耗整流器产生的热量更少，并且需要更小的散热器，从而节省成本和电路板空间。功率整流器采用单个封装，以节省更多空间。图 5 显示了一个三相整流器封装的示例。
图 5. 整流二极管的三相封装
逆变器传感、保护和高效元件
逆变器将直流电压转换为驱动电机所需的交流电压。该电源电路既需要高效以最大限度地降低功耗，又需要对电流过载和瞬变具有鲁棒性。可以考虑使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，它具有快速的开关时间，可减少在开关状态之间转换期间的功率损耗。请选择 V CE(Sat)低于 2 V 且栅极漏电流低于 1 µA 的 IGBT 晶体管以获得最大效率。半桥配置的三相 IGBT 模块采用单一、节省空间的封装。三个输出具有几乎相同的特性，从而简化了控制要求。请参见图 6。考虑使用栅极驱动器芯片组来控制 IGBT 模块。栅极驱动器提供低于 20 ns 的上升时间，以促进 IGBT 的高效、快速开关。
图 6. 内置温度传感器的三相半桥 IGBT 功率晶体管模块
IGBT的高速开关降低了功耗；然而，它的关断瞬态电压可能会超过晶体管的额定值并损坏 IGBT。在集电极和栅极之间使用 TVS 二极管可以钳位瞬态并提高相对于集电极电压的栅极电压。这减缓了瞬态电压的上升速度。在 IGBT 的集电极和栅极之间插入 TVS 二极管是一种称为有源钳位的保护技术。有关有源钳位对 IGBT 保护的好处的更多详细信息，请参见参考的应用说明3。
如果选定的 IGBT 芯片组没有用于监测温度的内部热敏电阻，则使用负温度系数 (NTC) 热敏电阻。如果功率半导体的结温超过其额定值，那么它们可能会发生热失控。请确保外部热敏电阻有足够的量程来监测 IGBT 可以达到的最高温度。在 TO 型半导体封装中使用单独 的IGBT 时，热敏电阻可直接安装在封装上。
请使用快速熔断器来保护逆变器电路免受短路情况的影响。适当的高速熔断器将在一秒钟内响应 400% 的过载而断开，以保护半导体。用于保护电源电路的高速熔断器型的额定电流高达 800 A，额定电压为 750 V。
通讯接口ESD保护元件
通信接口以无线方式连接到恒温器。由于通信接口暴露在外部环境中，因此使用双向 TVS 二极管提供 ESD 保护，该二极管将吸收任一极性的 ESD 冲击。请选择一个额定可承受高达 ± 15 kV 空气和 ± 10 kV 人体接触的二极管。为尽量减少对无线传输和接收完整性的影响，请使用电容低于 1 pF 的 TVS 二极管。
用户界面 ESD 保护元件
如果操作员通过触摸屏界面与系统交互，请考虑使用聚合物 ESD 抑制器来保护 Wi-Fi 芯片组免受 ESD 影响。聚合物 ESD 抑制器可在 1 ns 内响应瞬态。请寻找漏电流低于 1 nA的型号，以最大限度地减少功耗。此外，请选择低电容的 ESD 抑制器（低于 0.15 pF），以免信号通信失真。请确保选择高额定值的空气和直接接触 ESD 保护的型号。
模拟前端保护元件
模拟前端通过电力线通信协议经交流电源线与电力公司通信。该电路需要防止电源线上感应的电压瞬变。请考虑大功率 TVS 二极管，它可以吸收高达 15 kW 的峰值脉冲功率。
适用标准
表 1 列出了工业控制面板、HVAC 系统和 ESD 保护的重要安全标准。在开发项目的早期阶段应尽快制定符合这些标准的计划。否则，在经过认证的测试实验室发现故障后修改设计会增加项目成本并延迟产品推出。
表 1. HVAC 系统、工业控制面板和 ESD 鲁棒性的适用标准
强大可靠和节电节能设计的价值
通过将保护和传感元件作为设计目标并在项目早期纳入标准合规性，设计人员可以经济高效地开发强大而可靠的 HVAC 系统。使用高效的控制元件可以促进低功耗产品的开发。在选择保护、控制和传感元件时，利用元件制造商的工程专业知识节省宝贵的开发时间。制造商的应用工程师可以协助选择符合适用标准的元件。一些制造商可以协助进行一致性预测试，以帮助设计人员降低一致性测试成本。可靠性和效率提高了 HVAC 系统的声誉，从而导致市场份额和收入的增长。
参考文献
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公司电子业务部全球战略营销经理
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