雙極三端雙向交流開關(guān)短路檢測和安全電路及方法
【專利說明】雙極三端雙向交流開關(guān)短路檢測和安全電路及方法
[0001]相關(guān)申請參照
[0002]本申請基于2013年3月14日提交的第61782714號美國臨時專利申請。
技術(shù)領域
[0003]本發(fā)明涉及用于AC運行的電器(例如但不限于，加熱墊和電毯)的安全電路，所述安全電路使用固態(tài)開關(guān)電路活化負載以確保固態(tài)開關(guān)電路控制負載活化的完整性。
【背景技術(shù)】
[0004]加熱墊和電毯通常使用由AC線路電壓供電的加熱元件，其中所述加熱元件的溫度是受控的，并且持續(xù)監(jiān)測安全性以保護免于過度加熱。通常而言，通過固態(tài)開關(guān)例如三端雙向交流開關(guān)來開啟這樣的裝置的加熱元件的電力。所述三端雙向交流開關(guān)的完整性是該產(chǎn)品的安全性的關(guān)鍵因素。一旦三端雙向交流開關(guān)在短路條件中失效，持續(xù)的加熱可導致過度加熱，并且用戶可被暴露于遭受燒傷，以及可能有幾率發(fā)生火災。因此，檢測短路的電力開關(guān)條件以及在允許發(fā)展出不安全的條件之前斷開電力，是重要的。
[0005]在加熱墊或電毯的加熱元件中使用多級電路提供了因一系列條件影響更大部分的電熱絲所致的更好的過度加熱檢測。通過此方式，溫度控制電路常?？筛杆俚刈R別過度加熱。
[0006]ffeiss/Lin的美國專利n0.5，420, 397公開了用于加熱絲的安全電路，其檢測絲的損壞，并在電弧可引起導致火災的高度可燃的絲之前迅速斷開電力。該專利的電路使用三端雙向交流開關(guān)根據(jù)相對于熱設置的時間比例來接通或斷開電力。在一個實施方案中，串聯(lián)使用兩個三端雙向交流開關(guān)以緩解所述三端雙向交流開關(guān)中的一個由于短路而失效的影響，因為第二三端雙向交流開關(guān)將斷開電力。在另一個實施方案中，在撬棒電路使用第二三端雙向交流開關(guān)，從而如果在電力控制三端雙向交流開關(guān)的斷開狀態(tài)期間檢測到PTC絲的電力，則開啟電力熔絲。
[0007]加熱墊和電毯通常具有比穩(wěn)定于期望的溫度下所需要的更高的瓦特數(shù)。通常提供該額外電力，以使加熱墊或電毯的表面快速升溫至所期望的溫度。這被稱為預熱模式，其使加熱絲在短時間內(nèi)升溫至更高溫度。在預熱模式后，控制器測量溫度，并根據(jù)用戶選擇的設置使絲維持于靶溫度下。在這種情況下，維持期望溫度的電力可小至總可用電力的20%。固態(tài)開關(guān)(通常為三端雙向交流開關(guān))可在全波或半波條件下因短路而失效。即使半波條件下的失效，亦可持續(xù)提供50%的電力，并最終導致加熱元件的過度加熱。例如在Kohn/Levy的專利申請US2013/0015174 Al中，試圖檢測僅正半周中的三端雙向交流開關(guān)短路使得在其中三端雙向交流開關(guān)可在負半周中短路的情況下易受損害，并且可導致溫度失控。
[0008]除了加熱墊和電毯外的電器具有由AC線供電的加熱元件并且使用三端雙向交流開關(guān)，通過當溫度低于預設值時使加熱元件連接至AC電力，并且當達到所需溫度時使加熱元件從AC電力斷開，從而開啟或斷開電力。其他類型的AC運行的電器使用電子AC開關(guān)以可操作地連接和斷開對負載的電力。在這樣的電器中因電力開關(guān)(例如，三端雙向交流開關(guān))的短路而導致的失效還可導致加熱元件的不安全和不可控制的溫度升高，或另一些不安全條件。
[0009]在微控制器(MCU)基的電路中，使用MCU來測量加熱絲的溫度，并為三端雙向交流開關(guān)提供了控制信號。這些MCU電路常常由與電力線連接并且提供僅單極的DC電壓(例如，+5V)的非分離低壓電力供應供電。具有單極電力供應造成了對直接檢測相反極信號或雙極信號的障礙。
[0010]在加熱墊或其他電器具有由AC線供電的加熱元件的情況下，已發(fā)現(xiàn)，使用兩個電路是有利的，一個電路由AC電力線(通常為120VAC)的正半周供電，并且第二電路由AC電力線的負半周供電，如在美國專利申請US20130134149中描述的。通常使用的加熱元件具有正溫度系數(shù)特性(例如當使用鎳時)，并且溫度由所測量的這兩個電路的電阻決定。在AC電力線的正半周期間，測量第一電路電阻，并且在負半周期間，測量第二電路電阻。在負半周中測量第二電路的電阻的要求導致了當應施加電力時以及當不應施加電力時決定三端雙向交流開關(guān)的導電性的要求。當不應施加電力時，三端雙向交流開關(guān)的導電性指示三端雙向交流開關(guān)短路。三端雙向交流開關(guān)可針對AC線的正半周后負半周短路，或甚至針對這兩周都短路。對于單一電路和多級電路加熱墊的檢測失效，AC開關(guān)針對任意半周的失效都可導致在該周期間將電力施加于加熱元件，并引起過度加熱。
[0011]相同的原理應用于其他類型的電子AC開關(guān)，例如，MOSFET基AC開關(guān)、BJT基AC開關(guān)、晶丨?管基AC開關(guān)、二端雙向交流開關(guān)等同物等。
[0012]使用合適的電路布置，MCU可檢測失效，并且在一些異常條件下關(guān)閉電路，所述異常條件例如當過度加熱、線破損或當三端雙向交流開關(guān)失效短路時。
[0013]參照圖1，其描述了現(xiàn)有技術(shù)電路，MCU Ul相應溫度傳感器(未示出)讀數(shù)而觸發(fā)三端雙向交流開關(guān)Q1，以給加熱元件HTl供能。MCU Ul周期性地停止觸發(fā)脈沖以評價三端雙向交流開關(guān)Ql的條件。三端雙向交流開關(guān)檢測器電路10包括晶體管Q2、反向電壓保護二極管D3、限流電阻器R2和負載電阻器R1，該電路檢測三端雙向交流開關(guān)Ql的ΜΤ2端上存在的電源，并且當存在電壓時，向MCU輸出低水平，并且當不存在電壓(三端雙向交流開關(guān)導電)時，輸出高水平。MCU比較三端雙向交流開關(guān)檢測器電路對三端雙向交流開關(guān)Ql控制信號(觸發(fā)器)的響應。如果存在控制信號，并且期望三端雙向交流開關(guān)引導電流，則MCU預期來自檢測器的高水平。當不存在控制信號時，在電力線電壓的正半周期間MCU預期來自檢測器的低水平。當MCU接收高水平同時三端雙向交流開關(guān)未被觸發(fā)時，檢測到三端雙向交流開關(guān)短路失效。當檢測到這樣的失效時，MCU觸發(fā)由三端雙向交流開關(guān)Qc和限流電阻器Rlim構(gòu)成的撬棒電路，其熔斷熔絲Fl并將加熱器HTl與電力線斷開。
[0014]然而，圖1的現(xiàn)有技術(shù)電路不響應三端雙向交流開關(guān)Ql的ΜΤ2端處的負電壓。但是，三端雙向交流開關(guān)具有可獨立失效的負開關(guān)設施和正開關(guān)設施(用于電力線的正半周和負半周)二者。圖1的電路不保護針對三端雙向交流開關(guān)Ql的負半周控制部件的短路失效。因此，存在提供針對電力線的正半周和負半周二者的三端雙向交流開關(guān)失效的檢測的需要。
[0015]本發(fā)明的目的
[0016]因此，本發(fā)明的一個目的是提供使用由AC電源供電的加熱元件、電路的電器，所述電路檢測AC電力供應的正半周和負半周中固態(tài)開關(guān)例如三端雙向交流開關(guān)中的短路，從而以此方式，使用由AC功率正半周和負半周供電的加熱元件的電器將被保護免于因AC正半周或負半周中的固態(tài)開關(guān)元件失效所致的過度加熱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于中斷電器的加熱元件的供電的安全電路，所述加熱元件通過固態(tài)開關(guān)(通常是三端雙向交流開關(guān))由具有正半周和負半周遞送電力的AC電源供電。當固態(tài)AC開關(guān)未開啟時，在AC電力線的正半周和負半周期間通過檢測通過固態(tài)開關(guān)的電流或不存在跨越固態(tài)開關(guān)的電壓來檢測低電阻條件。每當檢測到低電阻條件時，生成故障信號以中斷對所述加熱元件的供電，優(yōu)選通過撬棒電路開啟熔絲。
[0018]在一個實施方案中，在所施加的AC電源的僅預定周數(shù)期間，選擇性地觸發(fā)固態(tài)開關(guān)，以給加熱元件供電，從而將工作周期限制的平均數(shù)提供至負載。與所述加熱元件和固態(tài)開關(guān)串聯(lián)的斷路器，當建立了更大電流表示固態(tài)開關(guān)將多于預定周數(shù)遞送至加熱元件時，所述斷路器中斷加熱元件的電力。
[0019]在另一個實施方案中，當固態(tài)AC開關(guān)未開啟時，在AC電力線的正半周和負半周期間檢測通過固態(tài)開關(guān)的電流或不存在跨越固態(tài)開關(guān)的電壓的安全電路，提供了故障相關(guān)信號至MCU或開啟斷路器的其他邏輯電路，例如撬棒電路，以中斷加熱元件的電力。
[0020]在另一個實施方案中，將所述安全電路與MCU的模擬輸入一起使用，提供簡化的工具以當固態(tài)AC開關(guān)未開啟時，在AC電力線的正半周和負半周期間檢測通過固態(tài)開關(guān)的電流或不存在跨越固態(tài)開關(guān)的電壓。當檢測到故障條件時，MCU開啟斷路器，例如撬棒電路，以中斷加熱元件的電力。該實施方案還被適用于具有雙重加熱元件的加熱器，每個加熱元件由正溫度系數(shù)軟線形成，并且通過固態(tài)開關(guān)由AC電源的相應半周單獨地供電，其中使用所提供的雙電機檢測工具來進行對正半周運行的加熱電路和負半周運行的加熱電路中的每一個進行獨立控制。
[0021]通過提供這樣的安全電路提供了本發(fā)明的這些目的、特征和優(yōu)點，以及其他目的、特征和優(yōu)點，所述安全電路提供檢測固態(tài)開關(guān)元件的正半周或負半周中的短路起始撬棒電路，以提高熔絲(AC電力通過該熔絲供應至電器)的電流從而開啟熔絲。
【附圖說明】
[0022]圖1是用于AC開關(guān)故障檢測的現(xiàn)有技術(shù)電路的電路圖，該檢測限于正半周；
[0023]圖2是用于通過檢測跨越固態(tài)開關(guān)設備的電壓降來對兩個AC半周進行AC開關(guān)故障檢測的電路圖；
[0024]圖3是用于通過檢測通過固態(tài)開關(guān)設備的電流在兩個AC半周期間進行A