CN105191487B - 双极三端双向交流开关短路检测和安全电路及方法 - Google Patents

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Abstract

一种中断电器的加热元件的供电的安全电路，所述加热元件通过固态开关(三端双向交流开关，Q1)，通常是三端双向交流开关，由具有正半周和负半周递送电力的AC电源(V1)供电。当固态AC开关未开启时，在AC电力线的正半周和负半周期间通过检测通过固态开关的电流或在跨越固态开关的电压来检测低电阻条件。每当检测到低电阻条件时，生成故障信号以中断对所述加热元件的供电，优选通过撬棒电路开启熔丝。

Description

双极三端双向交流开关短路检测和安全电路及方法
相关申请参照
本申请基于2013年3月14日提交的第61782714号美国临时专利申请。
技术领域
本发明涉及用于AC运行的电器(例如但不限于，加热垫和电毯)的安全电路，所述安全电路使用固态开关电路活化负载以确保固态开关电路控制负载活化的完整性。
背景技术
加热垫和电毯通常使用由AC线路电压供电的加热元件，其中所述加热元件的温度是受控的，并且持续监测安全性以保护免于过度加热。通常而言，通过固态开关例如三端双向交流开关来开启这样的装置的加热元件的电力。所述三端双向交流开关的完整性是该产品的安全性的关键因素。一旦三端双向交流开关在短路条件中失效，持续的加热可导致过度加热，并且用户可被暴露于遭受烧伤，以及可能有几率发生火灾。因此，检测短路的电力开关条件以及在允许发展出不安全的条件之前断开电力，是重要的。
在加热垫或电毯的加热元件中使用多级电路提供了因一系列条件影响更大部分的电热丝所致的更好的过度加热检测。通过此方式，温度控制电路常常可更迅速地识别过度加热。
Weiss/Lin的美国专利no.5,420,397公开了用于加热丝的安全电路，其检测丝的损坏，并在电弧可引起导致火灾的高度可燃的丝之前迅速断开电力。该专利的电路使用三端双向交流开关根据相对于热设置的时间比例来接通或断开电力。在一个实施方案中，串联使用两个三端双向交流开关以缓解所述三端双向交流开关中的一个由于短路而失效的影响，因为第二三端双向交流开关将断开电力。在另一个实施方案中，在撬棒电路使用第二三端双向交流开关，从而如果在电力控制三端双向交流开关的断开状态期间检测到PTC丝的电力，则开启电力熔丝。
加热垫和电毯通常具有比稳定于期望的温度下所需要的更高的瓦特数。通常提供该额外电力，以使加热垫或电毯的表面快速升温至所期望的温度。这被称为预热模式，其使加热丝在短时间内升温至更高温度。在预热模式后，控制器测量温度，并根据用户选择的设置使丝维持于靶温度下。在这种情况下，维持期望温度的电力可小至总可用电力的20％。固态开关(通常为三端双向交流开关)可在全波或半波条件下因短路而失效。即使半波条件下的失效，亦可持续提供50％的电力，并最终导致加热元件的过度加热。例如在Kohn/Levy的专利申请US2013/0015174 A1中，试图检测仅正半周中的三端双向交流开关短路使得在其中三端双向交流开关可在负半周中短路的情况下易受损害，并且可导致温度失控。
除了加热垫和电毯外的电器具有由AC线供电的加热元件并且使用三端双向交流开关，通过当温度低于预设值时使加热元件连接至AC电力，并且当达到所需温度时使加热元件从AC电力断开，从而开启或断开电力。其他类型的AC运行的电器使用电子AC开关以可操作地连接和断开对负载的电力。在这样的电器中因电力开关(例如，三端双向交流开关)的短路而导致的失效还可导致加热元件的不安全和不可控制的温度升高，或另一些不安全条件。
在微控制器(MCU)基的电路中，使用MCU来测量加热丝的温度，并为三端双向交流开关提供了控制信号。这些MCU电路常常由与电力线连接并且提供仅单极的DC电压(例如，+5V)的非分离低压电力供应供电。具有单极电力供应造成了对直接检测相反极信号或双极信号的障碍。
在加热垫或其他电器具有由AC线供电的加热元件的情况下，已发现，使用两个电路是有利的，一个电路由AC电力线(通常为120VAC)的正半周供电，并且第二电路由AC电力线的负半周供电，如在美国专利申请US20130134149中描述的。通常使用的加热元件具有正温度系数特性(例如当使用镍时)，并且温度由所测量的这两个电路的电阻决定。在AC电力线的正半周期间，测量第一电路电阻，并且在负半周期间，测量第二电路电阻。在负半周中测量第二电路的电阻的要求导致了当应施加电力时以及当不应施加电力时决定三端双向交流开关的导电性的要求。当不应施加电力时，三端双向交流开关的导电性指示三端双向交流开关短路。三端双向交流开关可针对AC线的正半周后负半周短路，或甚至针对这两周都短路。对于单一电路和多级电路加热垫的检测失效，AC开关针对任意半周的失效都可导致在该周期间将电力施加于加热元件，并引起过度加热。
相同的原理应用于其他类型的电子AC开关，例如，MOSFET基AC开关、BJT基AC开关、晶闸管基AC开关、三端双向交流开关等同物等。
使用合适的电路布置，MCU可检测失效，并且在一些异常条件下关闭电路，所述异常条件例如当过度加热、线破损或当三端双向交流开关失效短路时。
参照图1，其描述了现有技术电路，MCU U1相应温度传感器(未示出)读数而触发三端双向交流开关Q1，以给加热元件HT1供能。MCU U1周期性地停止触发脉冲以评价三端双向交流开关Q1的条件。三端双向交流开关检测器电路10包括晶体管Q2、反向电压保护二极管D3、限流电阻器R2和负载电阻器R1，该电路检测三端双向交流开关Q1的MT2端上存在的电源，并且当存在电压时，向MCU输出低水平，并且当不存在电压(三端双向交流开关导电)时，输出高水平。MCU比较三端双向交流开关检测器电路对三端双向交流开关Q1控制信号(触发器)的响应。如果存在控制信号，并且期望三端双向交流开关引导电流，则MCU预期来自检测器的高水平。当不存在控制信号时，在电力线电压的正半周期间MCU预期来自检测器的低水平。当MCU接收高水平同时三端双向交流开关未被触发时，检测到三端双向交流开关短路失效。当检测到这样的失效时，MCU触发由三端双向交流开关Qc和限流电阻器Rlim构成的撬棒电路，其熔断熔丝F1并将加热器HT1与电力线断开。
然而，图1的现有技术电路不响应三端双向交流开关Q1的MT2端处的负电压。但是，三端双向交流开关具有可独立失效的负开关设施和正开关设施(用于电力线的正半周和负半周)二者。图1的电路不保护针对三端双向交流开关Q1的负半周控制部件的短路失效。因此，存在提供针对电力线的正半周和负半周二者的三端双向交流开关失效的检测的需要。
本发明的目的
因此，本发明的一个目的是提供使用由AC电源供电的加热元件、电路的电器，所述电路检测AC电力供应的正半周和负半周中固态开关例如三端双向交流开关中的短路，从而以此方式，使用由AC功率正半周和负半周供电的加热元件的电器将被保护免于因AC正半周或负半周中的固态开关元件失效所致的过度加热。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于中断电器的加热元件的供电的安全电路，所述加热元件通过固态开关(通常是三端双向交流开关)由具有正半周和负半周递送电力的AC电源供电。当固态AC开关未开启时，在AC电力线的正半周和负半周期间通过检测通过固态开关的电流或不存在跨越固态开关的电压来检测低电阻条件。每当检测到低电阻条件时，生成故障信号以中断对所述加热元件的供电，优选通过撬棒电路开启熔丝。
在一个实施方案中，在所施加的AC电源的仅预定周数期间，选择性地触发固态开关，以给加热元件供电，从而将工作周期限制的平均数提供至负载。与所述加热元件和固态开关串联的断路器，当建立了更大电流表示固态开关将多于预定周数递送至加热元件时，所述断路器中断加热元件的电力。
在另一个实施方案中，当固态AC开关未开启时，在AC电力线的正半周和负半周期间检测通过固态开关的电流或不存在跨越固态开关的电压的安全电路，提供了故障相关信号至MCU或开启断路器的其他逻辑电路，例如撬棒电路，以中断加热元件的电力。
在另一个实施方案中，将所述安全电路与MCU的模拟输入一起使用，提供简化的工具以当固态AC开关未开启时，在AC电力线的正半周和负半周期间检测通过固态开关的电流或不存在跨越固态开关的电压。当检测到故障条件时，MCU开启断路器，例如撬棒电路，以中断加热元件的电力。该实施方案还被适用于具有双重加热元件的加热器，每个加热元件由正温度系数软线形成，并且通过固态开关由AC电源的相应半周单独地供电，其中使用所提供的双电机检测工具来进行对正半周运行的加热电路和负半周运行的加热电路中的每一个进行独立控制。
通过提供这样的安全电路提供了本发明的这些目的、特征和优点，以及其他目的、特征和优点，所述安全电路提供检测固态开关元件的正半周或负半周中的短路起始撬棒电路，以提高熔丝(AC电力通过该熔丝供应至电器)的电流从而开启熔丝。
附图说明
图1是用于AC开关故障检测的现有技术电路的电路图，该检测限于正半周；
图2是用于通过检测跨越固态开关设备的电压降来对两个AC半周进行AC开关故障检测的电路图；
图3是用于通过检测通过固态开关设备的电流在两个AC半周期间进行AC开关故障检测的电路图；
图4是在两个AC半周期间进行AC开关故障检测的交替电路的电路图；
图5是用于在两个AC半周期间进行AC开关故障检测的可选电路的电路图；
图6是用于在两个AC循环期间控制从AC电源到加热元件的电力的交替电路的电路图；
图7是用于通过使用模拟输入在两个AC半周期间进行AC开关故障检测的交替电路的电路图；
图8描述了图7电路的MCU中输入模拟信号与逻辑信号的关系。
图9是用于通过使用模拟输入在两个AC半周期间进行AC开关故障检测的交替电路的电路图；
图10描述了图9的信号；
图11a和11b描述了用于通过模拟输入在两个AC循环期间控制从AC电源到加热元件的电力的交替电路的电路图；
图12是用于在双重电路加热垫控制器中在两个AC半周期间进行AC开关故障检测的优选电路的电路图；
图13描述了图12的电路的信号；
图14是用于能够响应任意半周时AC开关的失效进行保护的工作循环的电路图；
图15描述了图14的电路的信号；
具体实施方式
图2示出的三端双向交流开关检测器电路检测在由三端双向交流开关控制的向加热设备供应的电力的任意AC半周期间的短路。PNP晶体管Q3提供了需要的负电压检测能力。该双极电压检测器按如下运行。当三端双向交流开关Q1导电时，跨越三端双向交流开关的电压降低于1Vrms。该电压太小，不足以打开开关Q2。分压器R3R5维持Q3的Vbe为约0.15V，这使开关Q3也维持断开。检测器的输出高。当存在正线路电压时，Q2打开，并且检测器的输出低。二极管D2保护Q3的基极不受到反向电压。当存在负线路电压时，Q3打开，并且打开开关Q2，并且检测器的输出低。
图2的检测器基于跨越三端双向交流开关的电压降来检测三端双向交流开关的导电性。
另一种检测所述三端双向交流开关导电的方法基于检测通过所述三端双向交流开关的电流。图3的电路示出了使用电流互感器(CT)的这样的检测器。在AC电力线电压的正半周或负半周期间，当三端双向交流开关Q1导电时，该电路输出正电压至MCU。该电压与通过该三端双向交流开关的电流大小成比例。选择CT匝数比以使通过三端双向交流开关的标称电流制造与高逻辑水平相应的检测器输出上的电压。电阻器R3限制电流尖峰处的MCU的输入电流。
图4的AC光耦合器(OC)可激活的电路基于跨越电流检测电阻R8的提供了对三端双向交流开关Q1电流的双极检测。当三端双向交流开关断开时，电路的输出高，并且当检测到任何极的电流时，电路的输出降低。示意图上的值符合0.5Amp的加热器电流。
图5示出了简单并且便宜的双极电流检测器。该电流检测器包括共享负载电阻器R1的两个NPN开关Q2和Q3。当三端双向交流开关断开时，电路的输出高。通过电流检测电阻器R6的正电流打开开关Q2，并且输出降低。当通过R6的负电流打开Q3时，输出降低。电阻器R4和R5限制相应的晶体管的基极电流。示意图上的R6值符合0.5Amp的加热器电流。图5电路的电流检测电阻器分散图4的电流检测电阻器的约一半的热。
可在图4和图5的电流检测电阻器的位置使用感应器或电容器，以减少由电流检测组件生成的热。为了进一步减少热，使电路在宽的电流范围中工作，图6的电路在电流检测电阻器的位置使用一对反向平行的二极管D1和D2。
到现在所描述的电路被设计成与MCU的数字输入或任何逻辑驱动的保护电路一起工作。具有可用的模拟电路开创了用于双极电压和电流检测的另一些机会。可使用车载或外置A-D转换器(ADC)或者车载或外置模拟比较器作为MCU模拟输入或任何其他逻辑驱动的保护电路。
通过模拟输入，可将图2的电压检测器电路转化成图7的简单布置。分压器R1R3提供了用于MCU模拟输入的偏置。电阻器R2与该偏置网络一起形成按比例降低电力电压的分压器。如图8所示，电压比较器或MCU的ADC检测三端双向交流开关Q1的状态。
图9描绘了用于具有模拟输入的MCU的双极电流检测器版本。该电路的特征在于设置1V的偏置的分压器R1R2以及DC闭锁的电容器C3。如图10所示，电压比较器或MCU的ADC检测三端双向交流开关Q1的状态。
图11A和图11B示出了的两个电路展示了双极电流检测器与MCU模拟输入一起工作的另一版本。这两个电路的特征在于，小值电流检测电阻器和将MCU输入处的0mV向上移动约500mV的偏置电路。针对约0.5Amp的加热器电流选择电流检测电阻器的值。所述电路的工作与图9的检测器类似。
图11a和11b的双极电流检测器可用于对具有使用随温度改变其电阻的正温度系数(PTC)丝的加热元件的加热垫的温度控制。该双极检测能力使得能够对双电路加热垫的每个电路进行独立的温度控制，在所述双电路加热垫中，一个电路由电力线的正半周供电，并且另一个电路由负半周供电。图12示出了这样的控制器的一个例子。
图12的电路使用利用ADC的MCU(未示出)测量双重电路加热垫的AC电力线的正半周和负半周(VPTC_POS和VPTC_NEG)期间跨越电流检测电阻器R6的电压降。所述MCU还测量由分压器R9R10按比例降低的电力线电压。为了提高分辨率，利用AC电力线的对称性质将线路电压VLINE测量为正半周的振幅。如图13所示，MCU使用这些测量值来独立地评价加热元件正半周运行的部件和负半周运行的部件的加热丝温度。将加热元件的正半周和负半周电阻测量为跨越电流检测电阻器的电力线电压测量值与相应半周的压降测量值幅度比率。将直接与加热元件的正半周和负半周的温度向对应的所得的值与预设水平相比较，并且如果达到了预设水平，则在紧接下来的周期期间断开相应极的加热元件部分。
当三端双向交流开关断开时，由MCU测量VBASE_POS和VBASE_NEG，以评价三端双向交流开关的正半周和负半周的适当运行，并且还去除对温度测量的电力供应纹波影响。如果VBASE_POS电压或VBASE_NEG电压从已知的DC偏移偏离多于允许的预设值，则MCU检测三端双向交流开关Q2的失效，并活化撬棒电路Q1R2以熔断熔丝F2并使加热元件从电力断开。该布置不仅提供了免于在三端双向交流开关的任何半周中的短路的保护，还提供了在通过三端双向交流开关的过量漏电流的情况下的保护。
可将相同的电路布置与包括PTC丝的单一电路加热元件一起使用。在这种情况下，还可使用负半周电阻读数以提高测量的精确性，并且评估AC开关(三端双向交流开关)的负部分的条件。
可将相同的电路布置与包括PTC丝的多重电路加热元件一起使用，其中将加热元件电路序贯地连接(每次一个)至控制电路，以由附加的开关电路进行电阻测量。在这种情况下，所述控制电路可提供对加热元件运行电路中的所有AC开关的条件评价。
对于非PTC类型的AC供电的加热元件，或当使用其他技术来控制加热元件温度时，图2至图8、图9以及图11A和图11B提供了该开关结构的正半周和负半周中的AC开关失效的正检测。
当没有撬棒电路可用和/或不使用逻辑驱动的保护电路时，工作周期保护(DutyCycle Protection)方法提供了针对AC开关元件的任意部分的短路失效的充分保护。
工作周期保护是一种被动技术，其在不使用额外的活性组件或复杂算法的情况下提供充分的电子AC开关失效保护。图14给出了硬件布置。图15的图描述了运行原理。在标准工作条件下，每三个电力线电压循环触发三端双向交流开关Q1。加热元件HT1被构建成提供33.3％工作周期处的充分电力。选择熔丝F1的大小，以在允许在与33.3％工作周期相应的平均电流下持续运行，并且当电流超过多于15％时熔断。如果三端双向交流开关的正半周或负半周因短路而失效，则平均电流加倍随着工作周期到达66.7％而加倍，并熔断熔丝F1。如果三端双向交流开关的两个半周都因短路而失效，则平均电流是原来的三倍，并且熔丝F1甚至更快地熔断。
上文描述的双极温度控制和/或AC开关保护机制可用于其中AC开关的完全或部分失效可导致危险情况或不期望的性能的任何AC供电的设备。这样的设备的例子包括但不限于马达控制、光控制、微波炉、常规烤炉等。
所述AC开关可包括三端双向交流开关、三端双向交流开关等同物、MOSFET AC开关、晶闸管基AC开关、固态继电器或能够响应控制信号控制AC电力的任何其他电路。
应注意，在上述电路中，可在电阻器的位置使用感应器或电容器，以测量电流。如本领域技术人员应知晓，不同来源的阻抗将是够用的。
还应理解，本领域技术人员可使用电压基AC开关和电流基AC开关故障检测电路的另一些布置，以提供对AC开关的正半周和负半周的检测，而不脱离本发明的范围和精神。
本文描述的实施方案提供用于举例说明的目的，而不是限制本发明。

Claims (8)

1.一种用于中断电器的加热元件的电力的安全电路，所述安全电路包括：
AC电源，所述AC电源具有用于向所述加热元件递送电力的正半周和负半周；
固态开关，所述固态开关包括三端双向交流开关，所述AC电源通过所述三端双向交流开关向所述加热元件供电；
双极检测电路，所述双极检测电路用于在通过所述三端双向交流开关的AC电力的正半周期间检测所述三端双向交流开关中的低电阻条件并且在通过所述三端双向交流开关的所述AC电力的负半周期间检测所述三端双向交流开关中的低电阻条件以生成故障信号，从而在每当所述低电阻条件被检测到同时所述三端双向交流开关未被激活的情况下中断向所述加热元件的供电；
断路器，所述断路器包括撬棒电路，所述撬棒电路与所述加热元件和所述三端双向交流开关串联连接以当更大的电流被建立从而指示所述三端双向交流开关正在向所述加热元件传递多于预定周数时中断向所述加热元件的供电；以及
微控制器单元，所述微控制器单元接收所述故障信号以激活所述撬棒电路从而断开熔丝，所述三端双向交流开关在所述AC电源的仅预定周数期间被触发以向所述加热元件供电，
其中，所述双极检测电路包括电子元件，所述电子元件检测在所述AC电力的任意半周期间通过所述三端双向交流开关的电流或所述三端双向交流开关两端的电压的水平，以在通过所述三端双向交流开关的所述电流或所述三端双向交流开关两端的所述电压达到预定水平时生成所述故障信号，以中断向所述加热元件的供电，所述电子元件包括反向平行二极管，所述反向平行二极管与所述三端双向交流开关串联连接，用于检测在所述AC电力的任意半周期间通过三端双向交流开关的电流的水平，以在通过所述三端双向交流开关的所述电流达到预定水平时生成所述故障信号，以中断向所述加热元件的供电，由此所述双极检测电路在所述AC电力的正半周或负半周期间对所述三端双向交流开关中的短路的检测以及向所述加热元件的供电的中断避免了利用所述加热元件的所述电器过热。
2.如权利要求1所述的安全电路，所述电子元件包括响应所述三端双向交流开关两端的正电压降的NPN晶体管开关和响应所述三端双向交流开关两端的负电压降的PNP晶体管开关，所述PNP晶体管开关与所述NPN晶体管开关的基极连接，以响应所述三端双向交流开关两端的正电压降或负电压降而开启所述NPN晶体管，
每当所述三端双向交流开关导电时，所述双极检测电路提供输出至所述微控制器单元的高逻辑水平，所述微控制器单元被布置成：如果接收到所述高逻辑水平同时所述三端双向交流开关未被开启，则生成所述故障信号以中断向所述加热元件的供电。
3.如权利要求1所述的安全电路，所述电子元件包括电流互感器。
4.如权利要求1所述的安全电路，所述电子元件包括光耦合器，所述光耦合器连接在分压器两端，用于检测在所述AC电力的任意半周期间通过三端双向交流开关的电流水平，以在通过所述三端双向交流开关的所述电流达到预定水平时生成所述故障信号，以中断向所述加热元件的供电。
5.如权利要求1所述的安全电路，所述电子元件包括两个NPN晶体管，所述两个NPN晶体管连接至与所述三端双向交流开关串联的负载电阻器，用于检测在所述AC电力的任意半周期间通过三端双向交流开关的电流水平，以在通过所述三端双向交流开关的所述电流达到预定水平时生成所述故障信号，以中断向所述加热元件的供电。
6.如权利要求1所述的安全电路，所述电子元件包括：
分压器，所述分压器通过高电阻连接在所述三端双向交流开关两端，用于生成检测所述三端双向交流开关在所述AC电力的任意半周期间的电压水平的模拟信号，从而当所述电压降低至预定水平时生成所述故障信号以中断向所述加热元件的供电；以及
用于所述模拟信号的转换器，所述转换器将信号递送至所述微控制器单元以生成所述故障信号。
7.如权利要求1所述的安全电路，所述电子元件包括：
分流器，所述分流器与所述三端双向交流开关连接，用于生成检测所述三端双向交流开关在所述AC电力的任意半周期间的电流水平的模拟信号，从而当所述电流达到预定水平时生成所述故障信号以中断向所述加热元件的供电；以及
用于所述模拟信号的转换器，所述转换器将信号递送至所述微控制器单元以生成所述故障信号。
8.一种用于中断电器的加热元件的电力的安全电路，所述安全电路包括：
AC电源，所述AC电源具有用于向所述加热元件递送电力的正半周和负半周；
固态开关，所述固态开关包括三端双向交流开关，所述AC电源通过所述三端双向交流开关向所述加热元件供电；
双极检测电路，所述双极检测电路用于在通过所述三端双向交流开关的AC电力的正半周期间检测所述三端双向交流开关中的低电阻条件并且在通过所述三端双向交流开关的所述AC电力的负半周期间检测所述三端双向交流开关中的低电阻条件以生成故障信号，从而在每当所述低电阻条件被检测到同时所述三端双向交流开关未被激活的情况下中断向所述加热元件的供电；以及
微控制器单元，所述微控制器单元接收所述故障信号以激活撬棒电路，从而断开熔丝，
其中，所述双极检测电路包括响应所述三端双向交流开关两端的正电压降的NPN晶体管开关和响应所述三端双向交流开关两端的负电压降的PNP晶体管开关，所述PNP晶体管开关与所述NPN晶体管开关的基极连接，以响应所述三端双向交流开关两端的正电压降或负电压降而开启所述NPN晶体管，每当所述三端双向交流开关导电时，所述双极检测电路提供输出至所述微控制器单元的高逻辑水平，所述微控制器单元被布置成：如果接收到所述高逻辑水平同时所述三端双向交流开关未被开启，则生成所述故障信号以中断向所述加热元件的供电，由此所述双极检测电路在所述AC电力的正半周或负半周期间对所述三端双向交流开关中的短路的检测以及向所述加热元件的供电的中断避免了利用所述加热元件的所述电器过热。
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