【導讀】供暖

、通風和空調（HVAC）市場正以6%的複合年增長率增長
，因為空調係統的年出貨量預計將從2020年的1.1億台增長到2024年的1.4億台1。大型商業係統將因新的醫療、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係統將是智能 HVAC 係(xi)統(tong)，因(yin)為(wei)政(zheng)府(fu)采(cai)取(qu)了(le)減(jian)少(shao)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)和(he)改(gai)善(shan)室(shi)內(nei)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)的(de)舉(ju)措(cuo)。空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)的(de)改(gai)善(shan)有(you)助(zhu)於(yu)營(ying)造(zao)更(geng)健(jian)康(kang)的(de)環(huan)境(jing)，減(jian)少(shao)居(ju)住(zhu)者(zhe)的(de)疲(pi)勞(lao)
，並(bing)提(ti)高(gao)工(gong)人(ren)的(de)工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)。因(yin)此(ci)，新(xin)的(de)智(zhi)能(neng) HVAC 係統必須在保持健康環境的同時最大限度地減少能源消耗
，在確保係統可靠性的同時最大限度地提高能源效率。

設計人員麵臨著開發智能 HVAC 係統的挑戰，這些係統既節能又足夠強大

，能夠承受過載和瞬態衝擊，例如雷電引起的浪湧、靜電放電 (ESD) 和其它交流線路瞬變。以下段落將為智能 HVAC 係統的設計人員提供有關保護
、控製和傳感元件的指導，以便將其納入他們的設計以實現效率和可靠性。圖 1 顯示了一個商業建築中智能 HVAC 係統的示例。

圖 1. 多層建築中的智能 HVAC 係統示例

圖 2 描繪了一個商業屋頂 HVAC 裝置，並突出顯示了主要的子係統電路模塊。每個模塊都列出了推薦的保護、控製和傳感元件，這些元件將在提供能源效率的同時確保過載和瞬態衝擊的安全性和魯棒性。

圖 2. 商用 HVAC 係統示例，顯示了確保可靠和高效係統所需的推薦保護、控製和傳感元件

保護 HVAC 係統並最大限度地降低其功耗

圖3和圖4顯示了商用 HVAC 係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於不同的電路模塊。圖3詳細介紹了控製單元的元件
，圖4列出了其它電路的元件。

圖 3. HVAC 框圖顯示了推薦用於控製單元的保護、控製和傳感元件

控製單元保護和安全元件

控kong製zhi單dan元yuan從cong交jiao流liu電dian源yuan獲huo取qu電dian力li，並bing為wei控kong製zhi電dian機ji和he所suo有you電dian路lu模mo塊kuai提ti供gong電dian力li。交jiao流liu電dian源yuan可ke以yi是shi單dan相xiang的de或huo是shi三san相xiang的de，它ta為wei控kong製zhi單dan元yuan供gong電dian。因yin此ci
，控kong製zhi單dan元yuan會hui受shou到dao源yuan自zi交jiao流liu電dian源yuan的de過guo載zai和he瞬shun變bian的de影ying響xiang。

從熔斷器開始，應保護控製單元免受電流過載。由於HVAC係統為電機供電
，熔斷器必須承受電機產生的衝擊電流。延時熔斷器（最好是雙熔絲熔斷器）將(jiang)避(bi)免(mian)由(you)於(yu)電(dian)機(ji)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)造(zao)成(cheng)的(de)幹(gan)擾(rao)故(gu)障(zhang)。雙(shuang)熔(rong)絲(si)熔(rong)斷(duan)器(qi)允(yun)許(xu)過(guo)載(zai)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)的(de)安(an)全(quan)範(fan)圍(wei)，同(tong)時(shi)支(zhi)持(chi)瞬(shun)時(shi)高(gao)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)。如(ru)果(guo)考(kao)慮(lv)使(shi)用(yong)斷(duan)路(lu)器(qi)，則(ze)應(ying)認(ren)識(shi)到(dao)熔(rong)斷(duan)器(qi)比(bi)斷(duan)路(lu)器(qi)運(yun)行(xing)更(geng)快(kuai)；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於控製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，yimanzudaxingnuantongkongtiaoxitongdeyaoqiu。xuanzejuyougaozhongduanedingzhiderongduanqi，yibianrongduanqizaizuihuaiqingkuangxiadeguozaidianliuxiaanquanduankai。gaiyingyongderongduanqijuyou200 kA的中斷額定值。最後，如果電路板或麵板空間存在問題

，則尋找滿足電氣要求且具有最小封裝尺寸的熔斷器。

高(gao)壓(ya)瞬(shun)變(bian)會(hui)在(zai)交(jiao)流(liu)線(xian)路(lu)上(shang)引(yin)起(qi)大(da)範(fan)圍(wei)的(de)高(gao)壓(ya)幹(gan)擾(rao)。請(qing)考(kao)慮(lv)使(shi)用(yong)浪(lang)湧(yong)保(bao)護(hu)器(qi)來(lai)防(fang)止(zhi)快(kuai)速(su)高(gao)壓(ya)和(he)大(da)電(dian)流(liu)瞬(shun)變(bian)的(de)雷(lei)擊(ji)。在(zai)每(mei)條(tiao)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)線(xian)中(zhong)，浪(lang)湧(yong)保(bao)護(hu)器(qi)由(you)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu) (MOV) 和一個串聯熱檢測器組成。浪湧保護器可以安全地吸收高達 40 kA 的瞬變電流，並在 25 ns 內響應過載。

控製麵板中的敏感電子電路需要保護，要求將瞬態鉗製到安全電壓水平。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 的峰值浪湧電流。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湧電流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。該組合為下遊電子電路提供了增強的安全性。晶閘管-MOV 組合的漏電流低於單獨的 MOV，有助於降低能耗。

注意：有關晶閘管-MOV 組合提供浪湧保護的更多信息，請參閱由Littelfuse 公司提供的應用說明，《用於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製器 (TVS) 二極管鉗製這些瞬態。TVS 二極管還通過安全地吸收空氣中的 15 kV 衝擊或直接接觸的 8 kV 衝擊來提供靜電放電 (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(shi)用(yong)帶(dai)有(you)磁(ci)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)流(liu)監(jian)控(kong)繼(ji)電(dian)器(qi)
，將(jiang)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)反(fan)饋(kui)到(dao)控(kong)製(zhi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)。磁(ci)性(xing)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)在(zai)供(gong)電(dian)電(dian)路(lu)中(zhong)，避(bi)免(mian)了(le)該(gai)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)。

•防止電機短循環：使用延時繼電器防止電機在斷電後過快重新啟動（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。密封封裝通過避免衝擊、振動和濕度退化來最大限度地延長使用壽命。

電dian機ji產chan生sheng的de噪zao聲sheng和he瞬shun變bian會hui幹gan擾rao電dian子zi控kong製zhi電dian路lu。考kao慮lv使shi用yong隔ge離li開kai關guan為wei電dian機ji供gong電dian。具ju有you過guo零ling激ji活huo功gong能neng的de光guang隔ge離li開kai關guan可ke最zui大da限xian度du地di減jian少shao電dian機ji開kai啟qi期qi間jian瞬shun態tai的de產chan生sheng。

由(you)於(yu)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)電(dian)路(lu)和(he)高(gao)功(gong)率(lv)
，確(que)保(bao)係(xi)統(tong)在(zai)沒(mei)有(you)關(guan)閉(bi)的(de)控(kong)製(zhi)麵(mian)板(ban)門(men)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)無(wu)法(fa)運(yun)行(xing)是(shi)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)。簧(huang)片(pian)接(jie)近(jin)開(kai)關(guan)感(gan)應(ying)門(men)的(de)位(wei)置(zhi)，防(fang)止(zhi)人(ren)員(yuan)意(yi)外(wai)接(jie)觸(chu)高(gao)壓(ya)。選(xuan)擇(ze)具(ju)有(you)適(shi)當(dang)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)簧(huang)片(pian)傳(chuan)感(gan)器(qi)型(xing)號(hao)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)可(ke)避(bi)免(mian)接(jie)觸(chu)汙(wu)染(ran)的(de)密(mi)封(feng)型(xing)號(hao)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)延(yan)長(chang)傳(chuan)感(gan)器(qi)壽(shou)命(ming)。

使(shi)用(yong)接(jie)觸(chu)器(qi)將(jiang)電(dian)源(yuan)切(qie)換(huan)到(dao)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)的(de)電(dian)路(lu)模(mo)塊(kuai)和(he)電(dian)機(ji)。確(que)保(bao)接(jie)觸(chu)器(qi)尺(chi)寸(cun)合(he)適(shi)，以(yi)支(zhi)持(chi)電(dian)機(ji)馬(ma)力(li)負(fu)載(zai)。尋(xun)找(zhao)觸(chu)點(dian)具(ju)有(you)高(gao)導(dao)電(dian)性(xing)和(he)抗(kang)觸(chu)點(dian)氧(yang)化(hua)（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。這也降低了係統功耗。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係統可靠性。

使用變壓器降壓和隔離交流線路電壓以產生控製電壓。請選擇 UL 和 CUL 標準 5085 認可的元件。

圖 4. 顯示推薦用於其它電路的保護、控製和傳感元件的HVAC 框圖

整流器保護和高效元件

整(zheng)流(liu)器(qi)電(dian)路(lu)將(jiang)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)為(wei)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)，為(wei)逆(ni)變(bian)器(qi)以(yi)及(ji)通(tong)信(xin)和(he)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)供(gong)電(dian)。請(qing)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)低(di)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)和(he)低(di)反(fan)向(xiang)漏(lou)電(dian)流(liu)的(de)整(zheng)流(liu)器(qi)
，以(yi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)整(zheng)流(liu)器(qi)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)損(sun)失(shi)。低(di)功(gong)耗(hao)整(zheng)流(liu)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)更(geng)少(shao)，並(bing)且(qie)需(xu)要(yao)更(geng)小(xiao)的(de)散(san)熱(re)器(qi)
，從(cong)而(er)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)和(he)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)。功(gong)率(lv)整(zheng)流(liu)器(qi)采(cai)用(yong)單(dan)個(ge)封(feng)裝(zhuang)
，以(yi)節(jie)省(sheng)更(geng)多(duo)空(kong)間(jian)。圖(tu) 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ni變bian器qi將jiang直zhi流liu電dian壓ya轉zhuan換huan為wei驅qu動dong電dian機ji所suo需xu的de交jiao流liu電dian壓ya。該gai電dian源yuan電dian路lu既ji需xu要yao高gao效xiao以yi最zui大da限xian度du地di降jiang低di功gong耗hao
，又you需xu要yao對dui電dian流liu過guo載zai和he瞬shun變bian具ju有you魯lu棒bang性xing。可ke以yi考kao慮lv使shi用yong絕jue緣yuan柵zha雙shuang極ji晶jing體ti管guan (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)低於 2 V 且柵極漏電流低於 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
，從而簡化了控製要求。請參見圖 6。考慮使用柵極驅動器芯片組來控製 IGBT 模塊。柵極驅動器提供低於 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並損壞 IGBT。在集電極和柵極之間使用 TVS 二極管可以鉗位瞬態並提高相對於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 芯片組沒有用於監測溫度的內部熱敏電阻
，則使用負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻。如果功率半導體的結溫超過其額定值，那麼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鍾內響應 400% 的過載而斷開，以保護半導體。用於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。由於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 衝擊。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
，請使用電容低於 1 pF 的 TVS 二極管。

用戶界麵 ESD 保護元件

如果操作員通過觸摸屏界麵與係統交互
，請考慮使用聚合物 ESD 抑製器來保護 Wi-Fi 芯片組免受 ESD 影響。聚合物 ESD 抑製器可在 1 ns 內響應瞬態。請尋找漏電流低於 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 抑製器（低於 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 的峰值脈衝功率。

適用標準

表 1 列出了工業控製麵板、HVAC 係統和 ESD 保bao護hu的de重zhong要yao安an全quan標biao準zhun。在zai開kai發fa項xiang目mu的de早zao期qi階jie段duan應ying盡jin快kuai製zhi定ding符fu合he這zhe些xie標biao準zhun的de計ji劃hua。否fou則ze
，在zai經jing過guo認ren證zheng的de測ce試shi實shi驗yan室shi發fa現xian故gu障zhang後hou修xiu改gai設she計ji會hui增zeng加jia項xiang目mu成cheng本ben並bing延yan遲chi產chan品pin推tui出chu。

表 1. HVAC 係統
、工業控製麵板和 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並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 係統。使用高效的控製元件可以促進低功耗產品的開發。在選擇保護、控(kong)製(zhi)和(he)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)時(shi)，利(li)用(yong)元(yuan)件(jian)製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)工(gong)程(cheng)專(zhuan)業(ye)知(zhi)識(shi)節(jie)省(sheng)寶(bao)貴(gui)的(de)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)。製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)應(ying)用(yong)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)協(xie)助(zhu)選(xuan)擇(ze)符(fu)合(he)適(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)元(yuan)件(jian)。一(yi)些(xie)製(zhi)造(zao)商(shang)可(ke)以(yi)協(xie)助(zhu)進(jin)行(xing)一(yi)致(zhi)性(xing)預(yu)測(ce)試(shi)，以(yi)幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)降(jiang)低(di)一(yi)致(zhi)性(xing)測(ce)試(shi)成(cheng)本(ben)。可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)效(xiao)率(lv)提(ti)高(gao)了(le) HVAC 係統的聲譽
，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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