【導讀】本文介紹的雙向交流電機控制設計，設計采用EPCOS LCap產品，該產品在單個堅固封裝中包含了電機運轉電容器與扼流圈。與使用機電式開關的電路相比，不僅效率、可靠性大大提高，無火花操作使電磁輻射減少，且無需使用機械繼電器來降低噪音。
電器中使用的標準雙向異步感應電機（如經濟型洗衣機）有兩個繞阻：主繞阻與輔助繞阻。電機電容器的作用是通過切換至所需繞阻來在所需方向啟動電機。通常，機電式開關用于控制電機（開-關及旋轉方向）。
但機電式開關缺點明顯：產生噪音、擊穿風險高、平均壽命低于電子元件。為提高工作壽命與可靠性，減少功耗并使變頻器更加安靜，使用電子控制解決方案替換機電式設計（繼電器）的需求十分巨大。
可靠、精致的解決方案
意法半導體（ST）與TDK攜手為雙向交流電機成功開發了一套精致、經濟的電子控制系統（圖1）。該設計包括以下幾個電路元件：
• STM微控制器單元 (MCU)
• STM雙向晶閘管（ACST、BTA與High Tj雙向晶閘管系列），用于將功率切換至所需繞阻
• EPCOS LCap電機運轉電容器與扼流圈組合產品可使輔助繞阻產生相移，從而為開關提供過流保護。
圖1：電子電機控制
MCU驅動電機主繞阻與輔助繞阻的兩個雙向晶閘管。EPCOS LCap結合了電機運轉電容器與串聯扼流圈。與使用機電式開關的電路相比，該設計具備如下優點：
• 效率更高——雙向晶閘管由單個脈沖操作，不需要繼電器線圈中有持續電流，從而減少能耗。
• 可靠性更高——雙向晶閘管比繼電器壽命更長
• 無火花操作使電磁輻射減少
• 無需使用機械繼電器從而降低噪音
• 適用于車庫門與門自動開啟裝置或電動遮陽篷與自動窗簾的單速雙向驅動
最新一代的雙向晶閘管可快速切換，且只需5 mA柵電流即可驅動，因此非常適用于此應用。另外，舉例來說，雙向晶閘管浪涌電流容量 (ITSM) 極高。單個16-A雙向晶閘管可耐受140 A的浪涌電流20 ms，重復di/dt可達到100 A/μs。相位角的控制也極其方便，而使用機械繼電器就很難做到這點。
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集成扼流圈有效限制過流
有兩個雙向晶閘管的電子電路需要一個扼流圈來保護開關，避免發生電流過載。比如，電路中的電磁輻射可使兩個開關均處于“開啟”狀態，這樣會對電容器放電而無任何電流限制進而電流過載會損壞開關。為防止此類問題，可在電容器上串聯一個電感器，以便電流過載時對電容器的電流進行限制。
兩個雙向晶閘管均被同時強置為“開啟”狀態時，電流的第一個峰值可達到1000 A以上（圖2）并持續25 μs之久（紅線）。該值是230 V、50 Hz、額定功率150 W的雙向異步感應電機在由包含兩個雙向晶閘管、使用10 μF相移電容器的電路驅動時的典型值。如此大的電流超出了雙向晶閘管允許的最大值。
圖2：電容器串聯扼流圈前后的峰值電流
兩個雙向晶閘管均被同時強置為“開啟”狀態時，如無扼流圈保護，通過開關的峰值電流可達到1073 A并持續25 µs（紅線）。設置扼流圈后峰值電流被限制為232 A、持續110 µs（綠線）。
串聯一個扼流圈可有效限制電流峰。di/dt比率也將降至雙向晶閘管可承受而不被損壞的值。如圖2所示，80 μH的電感可將第一個峰值電流降至250 A（綠線）以下、持續110 μs，使電流保持在安全運行范圍。
LCap是一款電容器與扼流圈組合產品，在一個封裝中結合了相移電容器與限流扼流圈。在清洗模式下，通過交替開啟每個雙向晶閘管，滾筒可雙向旋轉。感應電機的兩個繞阻中的一個由電源直接供電，另一個由電機運轉電容器供電，電容器上會產生相移與高電壓，峰值電壓可達650 V。旋轉模式下僅有一個雙向晶閘管開啟，因為滾筒只在一個方向以最大轉速旋轉。
一個封裝、兩個元件
EPCOS LCap在一個封裝中結合了電機運轉電容器與扼流圈，時間容差小、尺寸緊湊、裝配簡單，設計用于經濟、節能型驅動控制，包括洗衣機、干燥機、車庫自動門、門自動開啟裝置與電動窗簾等。與分散元件解決方案相比，LCap在性能與物流方面具備以下優勢：
• 低抗阻
• 長期穩定性好，容差小
• 堅固、無需維護
• 尺寸緊湊
• 引腳數由4個減少為2個
• 裝配時間少
與分散式解決方案相比，在一個封裝中電容器與扼流圈組合產品的容差限更窄。因為對于氣芯線圈扼流圈，機械影響會對繞阻產生物理更改，因而容差通常更大。除理想的電氣特性外，LCap在生產線裝配也具有可測量的優勢。另外，元件數減少表示所需裝配操作更少，故障率也會有所降低。
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