Силовые переключатели переменного тока с максимальной защитой по напряжению

Для силы тока в диапазоне от 6 до 20 А и напряжения величиной до 800 В микросхемы (ключи) ACST6-7S и ACST8-8CFP являются первыми изделиями, которые имеют встроенную защиту, способную выдержать перепады напряжения в сети или большие паразитные выбросы напряжений, возникающие при переходных процессах в момент коммутации. Основные характеристики новых ключей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

* Сопротивление изоляции провода 1500 В для ТО-220FPAB

Основными направлениями применения ключей ACST являются бесконтактная коммутация переменного тока в электронных термостатах и управление переменным током в асинхронных электродвигателях бытового оборудования: компрессоры морозильников и холодильников, помпы посудомоечных машин, сушильный барабан стиральной машины и т. д.

В качестве основных достоинств рассматриваемых ключей можно отметить:

• высокую надежность в закрытом состоянии: ресурс 100 000 часов;
• соответствие стандарту IEC61000-4-5;
• не требуется внешняя защита от перенапряжений;
• повышенная помехоустойчивость (в четыре раза лучше, чем у TRIAC);
• управление на логическом уровне, которое обеспечивается выходом микроконтроллеров ST6/ST7;
• надежность выключения при остановке ротора асинхронного электродвигателя;
• низкие потери на проводимость: 0,55 Вт при величине тока 1,2 A (rms) и рабочем цикле в 50%.

Микросхемы типа ACST изготавливаются по технологии компании ST для дискретных устройств специального назначения (ASD) и имеют структуру, подобную бездемпферному двустороннему тиристорному переключателю (TRIAC) с добавленной схемой защиты от высокого напряжения в виде двунаправленных диодов Зенера с последовательной резистивной нагрузкой (рис. 1). Чтобы подчеркнуть особую устойчивость ACST-устройств к повышенным напряжениям, для них был создан новый обозначающий символ. К традиционному символу двустороннего тиристорного переключателя добавлен символ вольт-амперной характеристики двухстороннего стабилитрона.

Рис. 1. Структура и обозначение устройств типа ACST

Такая конструкция позволяет микросхемам типа ACSTхх противостоять перепадам сетевого напряжения, описываемым стандартом IEC61000-4-5. В условиях высокоэнергетических выбросов напряжения выключатель будет безопасно шунтироваться внутренней схемой защиты.

Электрические характеристики ACST6-7S обеспечивают управление однофазным асинхронным электродвигателем мощностью до 300 Вт в сети 230 В с частотой 50–60 Гц. Облегчение запуска или сдвиг фазы осуществляется благодаря конденсатору на напряжение 700 В. Величина тока в открытом состоянии, равная 6 A, позволяет выполнять выключение асинхронного электродвигателя без дополнительных гасящих схем в условиях, когда рабочий ток через электродвигатель повышается при остановке ротора в 4 раза по сравнению с номинальным значением. Максимальная величина отпирающего тока в 10 мА позволяет осуществлять управление непосредственно с выхода микроконтроллеров типа ST62S или ST72S с выходным током величиной 20 мА.

Скорость нарастания напряжения при выключении повышена до 200 В/мкс при Tj = 125 °C. По сравнению с обычным двусторонним тиристорным переключателем это позволило уменьшить требования к внешним устройствам шумоподавления, которое теперь может быть обеспечено только за счет входной защиты прибора. Диапазон температуры p-n-перехода расширен до величины –30…+125 °C. При использовании микросхем в холодных средах это позволяет уменьшить размеры радиатора или работать без него.

Поскольку данные микросхемы не планируется менять в течение всего срока службы конечного изделия, то от них требуется повышенная надежность. Поэтому предусматривается их эксплуатация в течение до 10 лет или 90 000 часов. Исходя из этого компрессор, управляемый электронным ключом, будет включаться и выключаться приблизительно 300 000 раз при постоянной работе от сети в течение приблизительно 60 000 часов. Специализированные двусторонние тиристорные переключатели имеют более высокую надежность в ключевом режиме работы, но для удовлетворения требований по надежности в закрытом состоянии они нуждаются во внешней схеме защиты от перенапряжений.

Одной их последних разработок компании ST в серии ключей переменного тока является микросхема ACST8-8CFP, предназначенная для управления асинхронными электродвигателями в стиральных машинах и других силовых приложениях. Большинство современных стиральных машин теперь управляется с помощью электроники, и их модуль управленияиспользует от 5 до 8 ключей переменного тока для управления различными нагрузками. Устойчивость и надежность— вот главные требования для подбора таких переключателей питания. Подобно другим устройствам ACS/ACST, ключ ACST8-8CFP обладает нужными характеристиками.

Ось барабана стиральной машины связана через систему ременной передачи или непосредственно с валом двунаправленного однофазного асинхронного электродвигателя. Две обмотки электродвигателя соединены с конденсатором фазового сдвига, который увеличивает вращающий момент асинхронного электродвигателя и коэффициент его мощности. Для управления электродвигателем используются два выключателя, поочередно изменяющие направление его вращения (рис. 2). Так как два выключателя переменного тока связаны с моторным конденсатором, то они должны противостоять его пиковому напряжению, которое достигает 750 В, а также противостоять любым ложным разрядам, которые генерируются в результате формирования тока выше 100 А/мкс.

Рис. 2. Блок-схема силовой части стиральной машины с переключателями ACS/ACST

Микросхема ACST8-8CFP, рассчитанная на величину тока в открытом состоянии 8 А, является ключом переменного тока с напряжением до 800 В. Она предназначена для управления однофазными асинхронными электродвигателями мощностью до 450 Вт в сети с напряжением до 230 В и частотой 50–60 Гц. Ее номинальный ток 8 A позволяет выключать асинхронный электродвигатель без дополнительных гасящих схем. Максимально допустимое напряжение величиной 800 В полностью удовлетворяет работу с фазосдвигающим конденсатором во всем диапазоне температур p-n-перехода от –40 до +125 °C. Его скорость включения была повышена сверх 100 A/мкс для надежного противостояния побочным разрядам конденсатора асинхронного электродвигателя. Помехоустойчивость данного устройства повышена до 750 В/мкс при Tj = 125 °C, что в два раза выше, чем у обычного двустороннего тиристорного переключателя. Поведение основных параметров ACST8 при импульсе напряжения величиной 2 кВ показано на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики ACST8 при импульсе напряжения 2 кВ

Для выполнения требований потребителя при разработке микросхемы ACST8-8C особое внимание было уделено их качеству. Для его контроля были выбраны следующие параметры: перепад потенциала во включенном состоянии VTM, запускающий ток IGT, ток утечки ID/R и запирающее напряжение VD/R. В процессе разработки произведена оптимизация с целью уменьшения их значений и стабилизации разброса параметров, а планарный процесс изготовления ASD обеспечил требуемое повышение качества по сравнению со стандартными изделиями. Микросхемы ACST8-8CFP изготавливаются в корпусах TO-220FPAB, которые обеспечивают сопротивление изоляции до 1500 В с возможностью установки всех выключателей на одном теплопоглощающем радиаторе при работе в среде с очень высокой влажностью. Теперь благодаря своим характеристикам ключи типа ACST могут использоваться в различных устройствах для коммутации переменного тока: твердотельное реле переменного тока, драйвер асинхронного электродвигателя компрессора, пускатель механизированного инструмента с электроприводом и т. д.

Семейство ACST-ключей имеет сейчас в своем составе микросхемы с различным значением тока во включенном состоянии, изготавливаются в корпусах различного типа, в том числе имеется несколько ключей, размещенных в одном корпусе. Полный состав семейства данных ключей приведен в таблице 2.

Таблица 2. Ключи АС

Таким образом, планарная технология ASD позволила интегрировать в двусторонний тиристорный переключатель защиту и улучшить показатели надежности в выключенном состоянии при работе от сети переменного тока. Используя свой опыт по созданию микросхем защиты от высоких напряжений типа Transil и Trisil, проектировщики компании ST создали современный ключ переменного тока ACST, способный надежно функционировать при наличии переходных процессов, возникающих при перепадах напряжения в сети и коммутациях тока. Так как эти компактные трехвыводные приборы специально разработаны для управления асинхронными электродвигателями в сети с частотой 50–60 Гц, то ключ типа ACSTхх — обоснованный кандидат на применение в любом новом проекте электронного управления для различного оборудования.