将可靠性和效率设计到智能暖通空调系统中

供暖，通风和空调（HVAC）市场正以6%的复合年增长率增长，因为AC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由于新的医疗保健，教育，仓库，政府办公室和零售设施的建设，大型商业系统将具有最高的增长率。

这些新设施中的大多数系统将是智能HVAC系统，因为政府推动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更健康的环境，减少乘员疲劳，并提高工人的生产力。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降低能耗，在确保系统可靠性的同时最大限度地提高能源效率。

设计人员面临的挑战是开发既节能又足够坚固的智能HVAC系统，以应对过载和瞬态冲击，例如雷电引起的浪涌，静电放电（ESD）和其他交流线瞬变。以下段落将为智能HVAC系统设计人员提供有关保护，控制和传感组件的指导，以纳入其设计中，以实现效率和可靠性。

图2描绘了一个商业屋顶HVAC单元，并突出显示了主要的子系统电路块。每个模块都列出了推荐的保护、控制和传感组件，这些组件将确保过载和瞬态冲击的安全性和稳健性，同时提供能量效率。

（图 2.商用 HVAC 系统示例，显示确保系统可靠高效所需的推荐保护、控制和传感组件）

保护暖通空调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。两个图的框图是相同的，但每个图中的推荐元件适用于不同的电路块。图3详细介绍了控制单元的组件，图4列出了其他电路的组件。

（图 3.HVAC 框图显示了为控制单元推荐的保护、控制和传感组件）

控制单元保护和安全组件

控制单元从交流电源获取电力，并提供控制电机和所有电路块的电力。交流电源可以是单相或三相，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。

从保险丝开始，以保护控制单元免受电流过载的影响。由于HVAC系统为电机供电，因此保险丝必须承受电机吸收的浪涌电流。延时保险丝，最好是双元件保险丝，将避免由于电机浪涌电流引起的干扰故障。双元件保险丝允许安全调整过载电路保护尺寸，同时支持瞬时高浪涌电流。如果正在考虑断路器，请注意保险丝的运行速度比断路器快;保险丝不需要维护测试或校准。确保所选保险丝的额定电压高于控制单元电路的最大工作电压。额定电压为 600 V，额定熔断器额定电流可高达 1200 A，以满足大型 HVAC 系统的要求。选择具有高中断额定值的保险丝，以便保险丝打开并中断最坏情况下的过载。此应用的保险丝的分断额定值为 200 kA。最后，如果电路板或面板空间是一个问题，请寻找符合电气要求并具有尽可能小封装尺寸的保险丝。

高压瞬变会在交流线路上引起各种高压干扰。考虑使用浪涌保护器来防止雷击，雷击是快速的高电压和高电流瞬变。电涌保护器由金属氧化物压敏电阻（MOV）组成，每个交流电源线路中都有一个串联的热探测器。浪涌保护器可以安全地吸收高达40 kA的瞬变，并在25 ns以下响应过载。

控制面板中的敏感电子电路需要保护，要求将瞬变钳位到安全电压水平。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，可以处理大浪涌电流，同时保持低箝位电压。2在晶闸管上添加一个MOV允许使用具有低箝位电压的MOV。该组合为下游电子电路提供了增强的安全性。晶闸管-MOV组合本身的漏电流低于MOV，有助于降低能耗。

注意：有关晶闸管-MOV 组合提供的浪涌保护的更多信息，请参阅应用笔记“用于交流电力线应用的高功率半导体撬棒保护器”，由 Littelfuse， Inc 提供。

快速瞬变仍可传播到变压器的次级端——变压器次级侧的瞬态电压抑制器（TVS）二极管会箝位这些瞬变。TVS二极管还通过安全地吸收15 kV的空气冲击或8 kV的直接接触冲击来提供静电放电（ESD）保护。此外，TVS二极管具有极快的响应时间，低于1 ps。

暖通空调电机保护

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、高电压或相位故障，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，将电机电流消耗反馈到控制电子设备。磁电流传感器不在供电电路中，可避免该电路中的功率损耗。

防止电机短路循环：使用延时继电器防止电机断电后过快起动（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，延长使用寿命。封装封装通过避免冲击、振动和湿度下降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学隔离开关可最大限度地减少电机导通期间瞬变的产生。

由于控制单元具有所有电路和高功率，因此确保系统在没有关闭控制面板门的情况下无法运行至关重要。簧片接近开关可感应门的位置，防止人员意外接触高压。选择具有适当灵敏度的干簧传感器型号。通过使用气密密封的型号，避免接触污染，从而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块和电机。确保接触器尺寸合适，以支持电机马力负载。寻找其触点具有高导电性和抗接触氧化性的接触器，这会降低接触器的使用寿命。

将电容器添加到电机驱动线路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。

降压并用变压器隔离交流线路电压，以产生控制电压。选择 UL 和 CUL 标准 5085 认可的组件。

（图 4.HVAC 框图显示了其他电路的推荐保护、控制和传感组件）

整流器保护和高效元件

整流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。使用具有低正向电压和低反向泄漏电流的整流器，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，需要更小的散热器，从而节省了成本和电路板空间。功率整流器采用单封装，可节省更多空间。图5所示为三相整流器封装的示例。

（图 5.整流二极管的 3 相封装）

逆变器传感、保护和高效组件

逆变器将直流电压转换为驱动电机所需的交流电压。该电源电路需要既要高效，以最大限度地降低功耗，又要对电流过载和瞬变具有鲁棒性。考虑使用绝缘栅双极晶体管（IGBT），其具有快速的开关时间，可减少开/关状态之间转换期间的功率损耗。选择带 V 的 IGBT 晶体管中欧（六）低于 2 V，栅极漏电流低于 1 μA，可实现最高效率。采用半桥配置的三相IGBT模块采用节省空间的单封装。这三个输出具有几乎相同的特性，从而简化了控制要求。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.带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，其关断瞬态电压可能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二极管可以箝位瞬态并相对于集电极电压提高栅极电压。这减慢了瞬态电压的上升速率。在IGBT的集电极和栅极之间插入TVS二极管是一种称为有源箝位的保护技术。有关有源箝位对 IGBT 保护的优势的更多详细信息，请参阅参考的应用笔记。3

如果所选IGBT芯片组没有用于监控温度的内部热敏电阻，则采用负温度系数（NTC）热敏电阻。如果功率半导体的结温超过其额定值，则可能会受到热失控的影响。确保外部热敏电阻具有足够的范围来监测IGBT可能达到的最高温度。在 TO 型半导体封装中使用单个 IGBT 时，热敏电阻可配备直接安装在封装上的接线片。

使用快速熔断器保护逆变器电路免受短路情况的影响。适当的高速保险丝将在一秒钟内因400%过载而打开，以保护半导体。用于保护电源电路的高速保险丝型号的额定电流高达 800 A，额定电压为 750 V。

通信接口 ESD 保护组件

通信接口无线连接到恒温器。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。选择一个额定可承受高达 ± 15 kV 空气和 10 kV 人体接触±二极管。为了将对无线传输和接收完整性的影响降至最低，请使用电容低于1 pF的TVS二极管。

用户界面 ESD 保护组件

如果操作员通过触摸屏界面与系统进行交互，请考虑使用聚合物ESD抑制器来保护Wi-Fi芯片组免受ESD的影响。聚合物ESD抑制器在1 ns内响应瞬变。寻找漏电流低于 1 nA 的型号，以最大限度地降低功耗。此外，选择具有低电容（低于0.15 pF）的ESD抑制器，以使信号通信不会失真。确保选择额定具有高水平空气和直接接触 ESD 保护的型号。

模拟前端保护组件

模拟前端通过电力线通信协议通过交流电源与电源实用程序进行通信。该电路需要保护电力线上感应的电压瞬变。考虑一个高功率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计划符合这些标准。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引入。

（表 1.暖通空调系统、工业控制面板的适用标准和对 ESD 的鲁棒性）

坚固和高能效设计的价值

设计人员可以通过将保护和传感组件作为设计目标，并在项目早期纳入标准合规性，经济高效地开发坚固可靠的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、控制和传感组件时，利用组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组件。一些制造商可以协助进行预一致性测试，以帮助设计人员降低符合性测试成本。可靠性和效率提高了HVAC系统的声誉，从而增加了市场份额和收入。

审核编辑：郭婷