供暖，通風和空調（HVAC）市場正以6%的復合年增長率增長，因為AC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由于新的醫療保健，教育，倉庫，政府辦公室和零售設施的建設，大型商業系統將具有最高的增長率。

這些新設施中的大多數系統將是智能HVAC系統，因為政府推動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更健康的環境，減少乘員疲勞，并提高工人的生產力。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降低能耗，在確保系統可靠性的同時最大限度地提高能源效率。

設計人員面臨的挑戰是開發既節能又足夠堅固的智能HVAC系統，以應對過載和瞬態沖擊，例如雷電引起的浪涌，靜電放電（ESD）和其他交流線瞬變。以下段落將為智能HVAC系統設計人員提供有關保護，控制和傳感組件的指導，以納入其設計中，以實現效率和可靠性。

圖2描繪了一個商業屋頂HVAC單元，并突出顯示了主要的子系統電路塊。每個模塊都列出了推薦的保護、控制和傳感組件，這些組件將確保過載和瞬態沖擊的安全性和穩健性，同時提供能量效率。

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

保護暖通空調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。兩個圖的框圖是相同的，但每個圖中的推薦元件適用于不同的電路塊。圖3詳細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、控制和傳感組件）

控制單元保護和安全組件

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，控制單元會受到源自交流電源的過載和瞬變的影響。

從保險絲開始，以保護控制單元免受電流過載的影響。由于HVAC系統為電機供電，因此保險絲必須承受電機吸收的浪涌電流。延時保險絲，最好是雙元件保險絲，將避免由于電機浪涌電流引起的干擾故障。雙元件保險絲允許安全調整過載電路保護尺寸，同時支持瞬時高浪涌電流。如果正在考慮斷路器，請注意保險絲的運行速度比斷路器快;保險絲不需要維護測試或校準。確保所選保險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 1200 A，以滿足大型 HVAC 系統的要求。選擇具有高中斷額定值的保險絲，以便保險絲打開并中斷最壞情況下的過載。此應用的保險絲的分斷額定值為 200 kA。最后，如果電路板或面板空間是一個問題，請尋找符合電氣要求并具有盡可能小封裝尺寸的保險絲。

高壓瞬變會在交流線路上引起各種高壓干擾。考慮使用浪涌保護器來防止雷擊，雷擊是快速的高電壓和高電流瞬變。電涌保護器由金屬氧化物壓敏電阻（MOV）組成，每個交流電源線路中都有一個串聯的熱探測器。浪涌保護器可以安全地吸收高達40 kA的瞬變，并在25 ns以下響應過載。

控制面板中的敏感電子電路需要保護，要求將瞬變鉗位到安全電壓水平。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，可以處理大浪涌電流，同時保持低箝位電壓。2在晶閘管上添加一個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：有關晶閘管-MOV 組合提供的浪涌保護的更多信息，請參閱應用筆記“用于交流電力線應用的高功率半導體撬棒保護器”，由 Littelfuse， Inc 提供。

快速瞬變仍可傳播到變壓器的次級端——變壓器次級側的瞬態電壓抑制器（TVS）二極管會箝位這些瞬變。TVS二極管還通過安全地吸收15 kV的空氣沖擊或8 kV的直接接觸沖擊來提供靜電放電（ESD）保護。此外，TVS二極管具有極快的響應時間，低于1 ps。

暖通空調電機保護

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、高電壓或相位故障，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，將電機電流消耗反饋到控制電子設備。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。

防止電機短路循環：使用延時繼電器防止電機斷電后過快起動（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，延長使用壽命。封裝封裝通過避免沖擊、振動和濕度下降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學隔離開關可最大限度地減少電機導通期間瞬變的產生。

由于控制單元具有所有電路和高功率，因此確保系統在沒有關閉控制面板門的情況下無法運行至關重要。簧片接近開關可感應門的位置，防止人員意外接觸高壓。選擇具有適當靈敏度的干簧傳感器型號。通過使用氣密密封的型號，避免接觸污染，從而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塊和電機。確保接觸器尺寸合適，以支持電機馬力負載。尋找其觸點具有高導電性和抗接觸氧化性的接觸器，這會降低接觸器的使用壽命。

將電容器添加到電機驅動線路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。

降壓并用變壓器隔離交流線路電壓，以產生控制電壓。選擇 UL 和 CUL 標準 5085 認可的組件。

（圖 4.HVAC 框圖顯示了其他電路的推薦保護、控制和傳感組件）

整流器保護和高效元件

整流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。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。低功耗整流器產生的熱量更少，需要更小的散熱器，從而節省了成本和電路板空間。功率整流器采用單封裝，可節省更多空間。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、保護和高效組件

逆變器將直流電壓轉換為驅動電機所需的交流電壓。該電源電路需要既要高效，以最大限度地降低功耗，又要對電流過載和瞬變具有魯棒性。考慮使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT），其具有快速的開關時間，可減少開/關狀態之間轉換期間的功率損耗。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，可實現最高效率。采用半橋配置的三相IGBT模塊采用節省空間的單封裝。這三個輸出具有幾乎相同的特性，從而簡化了控制要求。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.帶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，其關斷瞬態電壓可能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二極管可以箝位瞬態并相對于集電極電壓提高柵極電壓。這減慢了瞬態電壓的上升速率。在IGBT的集電極和柵極之間插入TVS二極管是一種稱為有源箝位的保護技術。有關有源箝位對 IGBT 保護的優勢的更多詳細信息，請參閱參考的應用筆記。3

如果所選IGBT芯片組沒有用于監控溫度的內部熱敏電阻，則采用負溫度系數（NTC）熱敏電阻。如果功率半導體的結溫超過其額定值，則可能會受到熱失控的影響。確保外部熱敏電阻具有足夠的范圍來監測IGBT可能達到的最高溫度。在 TO 型半導體封裝中使用單個 IGBT 時，熱敏電阻可配備直接安裝在封裝上的接線片。

使用快速熔斷器保護逆變器電路免受短路情況的影響。適當的高速保險絲將在一秒鐘內因400%過載而打開，以保護半導體。用于保護電源電路的高速保險絲型號的額定電流高達 800 A，額定電壓為 750 V。

通信接口 ESD 保護組件

通信接口無線連接到恒溫器。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。選擇一個額定可承受高達 ± 15 kV 空氣和 10 kV 人體接觸±二極管。為了將對無線傳輸和接收完整性的影響降至最低，請使用電容低于1 pF的TVS二極管。

用戶界面 ESD 保護組件

如果操作員通過觸摸屏界面與系統進行交互，請考慮使用聚合物ESD抑制器來保護Wi-Fi芯片組免受ESD的影響。聚合物ESD抑制器在1 ns內響應瞬變。尋找漏電流低于 1 nA 的型號，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，以使信號通信不會失真。確保選擇額定具有高水平空氣和直接接觸 ESD 保護的型號。

模擬前端保護組件

模擬前端通過電力線通信協議通過交流電源與電源實用程序進行通信。該電路需要保護電力線上感應的電壓瞬變。考慮一個高功率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計劃符合這些標準。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引入。

（表 1.暖通空調系統、工業控制面板的適用標準和對 ESD 的魯棒性）

堅固和高能效設計的價值

設計人員可以通過將保護和傳感組件作為設計目標，并在項目早期納入標準合規性，經濟高效地開發堅固可靠的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、控制和傳感組件時，利用組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組件。一些制造商可以協助進行預一致性測試，以幫助設計人員降低符合性測試成本。可靠性和效率提高了HVAC系統的聲譽，從而增加了市場份額和收入。

審核編輯：郭婷