采用新型电子恒温器的高能效冰箱控制解决方案

　　摘要

　　提高能效标准和实施更严格的环保政策的要求是推动家电行业技术创新的两大动因，尤其是冰箱，冰柜等制冷系统。家电厂商采用多种不同的技术提高冰箱的能效。

　　本文提出一个能够节能20%的电子解决方案：利用电子恒温器对冰箱进行数字温度控制。本文还介绍了意法半导体最新推出的评估板（STEVAL-IHT001V2）以及配套的PC软件工具。

　　前言

　　提高能效标准和实施更严格的环保政策的要求是家电行业技术创新的两大动因。

　　在全世界范围内，这个要求特别适用于冰箱行业，因为工作负荷大，冰箱是用电量最大的家用电器。如图10所示，在过去的10年来，欧洲制冷市场转向高能效产品（参考 ［1］和 ［2］）。

　　图 1 - EU-25 制冷市场份额

　　家电厂商采用多种不同的技术提高冰箱、冰柜等制冷设备的能效；某些方法是提高箱室的保温能力（即提高保温层的厚度或采用新型材料），其它方法是设法提高压缩机和/或应用的能效。

　　在第二种方法中，可采用不同的策略；其中，昂贵的变频驱动器（VFD）配合3相永磁同步电机（PMSM）是一个很实用的解决方案。

　　本文介绍一个电子恒温器解决方案，无需改变今天冰箱最常用的电机（单相感应式交流电机），还能节省先进解决方案的能源。

　　本文还将介绍意法半导体为这个解决方案开发的软硬件评估工具。

　　机电恒温器

　　冰箱通常使用两种不同的机电恒温器。

　　第一种恒温器（最常用）是内部充满气体的毛细管。恒温管与膜片相连，当箱室温度升高时，恒温管内气体膨胀，推动膜片操作一系列触点，启动压缩机。当然，这类恒温器的特性（即干预温度）也会受到外界气压变化的影响。

　　第二种机电恒温器是一个制成线圈状的又长又薄的金属条，金属条由焊接或铆接在一起的两种不同金属材料组成。因为两种金属的受热膨胀性质不同，线圈将会随着温度变化而弯曲或伸直，这类恒温器的特性不会受到外界气压变化的影响，但是，测量精度不是很高，而且随着恒温器老化，温度调控会产生变化。

　　此外，基于这两种机电恒温器的温度控制系统无法改变温度迟滞，即冰箱压缩机电源通断之间的温度差。

　　数字温度控制系统

　　图2所示是基于电子恒温器的数字温控系统的功能框图，系统主要组件包括：

　　- 温度传感器（经过适当调节），用于提供反馈信号

　　- 可编程微控制器（MCU），用于读取反馈信号（通过片上模数转换器外设），处理信息，指挥电子执行器操作

　　- 电子执行器，用于启动或关闭压缩机

　　在本例中，温度传感器是热电偶或负温度系数（NTC）器件。与机电式恒温器不同，这两种器件都不接触活动元件，因此性能更安全可靠。

　　图 2 – 数字温控系统

　　因为是连续读取温度，而且是微控制器要求的精度，所以系统可以控制温度，限制箱室内温度随时间变化。

　　如在［3］所述，温度波动降低有三大好处：

　　- 更好地保存食物

　　- 热动态效率提高（因为蒸发器温度波动越低，蒸发器最低温度就越高，压缩机利用率也就更高）

　　- 压缩机和蒸发器尺寸缩小

　　［3］还特别例证了用数字温控系统（见图2）代替机电恒温器并正确选择最优的温度迟滞后，功耗最大降幅达到20%。

　　此外，可编程微控制器保证的灵活性可为设备增加更多功能，让家电厂商能够在相同的硬件环境内轻松实现产品差异化。

　　例如，可以每隔n个热周期修改温度迟滞，使蒸发器温度高于0°C，这可以除去蒸发器上的积冰，进一步提升冰箱能效（因为冰层有隔离作用）。

　　此外，还可以增加很多与温控没有直接关系的功能。例如，随时间变化的温度趋势和总能耗可反馈给最终用户（通过LCD）。用户界面还可增加开门报警、温度报警和内部照明灯（灯泡或LED）点亮等功能。

　　意法半导体的系统解决方案

　　在电子恒温器范围内，意法半导体开发了一套恒温器开发工具（订货代码：STEVAL-IHT001V2），这是一个安全可靠且低成本的数字温控解决方案，利用微控制器和交流开关控制冰箱、冰柜或冰箱冰柜多功能产品的温度。

　　STEVAL-IHT001V2评估板可控制一个单相感应电机和一支灯泡，还可以选择控制一个除霜电阻器和一个风扇，适用于 120/240 V RMS 50/60 Hz 交流电源电压。这块板子符合电磁兼容标准：在进行IEC61000-4-4标准测试过程中，系统承受高达3.1 kV 的高压脉冲串而未发生任何异常或失控。测试电压提高到 5kV时，出现暂时失控现象，干扰停止后，失控现象消失。此外，评估板还经过2 kV浪涌测试（IEC61000-4-5 standard），半导体元器件无任何损坏［4］。

　　图 3： STEVAL-IHT001V2评估板

　　评估板配有一个叫做“Thermostat kit application GUI”的恒温器评估板图形用户界面（GUI） PC 软件，用于应用演示和开发目的 （在 www.st.com 下载软件）。利用 GUI软件可以配置恒温器评估板的版本 – 基本版（仅限于压缩机和灯泡控制）、除霜版（压缩机、灯泡和除霜电阻控制）、气流循环版（压缩机、灯泡、除霜电阻和风扇控制） ，这个不同版本分别定位于低端、中端和高端制冷设备市场。GUI还准许用户设置和测量主要应用参数。

　　低成本的STM8S003F3P6微控制器负责控制恒温器，该微控制器属于STM8S主流系列微控制器，以片上功能丰富且成本低廉为亮点。此外，该产品最大限度地缩减了引脚数量。板上还搭载一颗带USB接口的微控制器，该微控制器仅用于应用演示目地，通过USB接口在PC机与恒温器评估板之间通信。

　　如图3所示，STEVAL-IHT001V2 恒温器开发板分为两部分，恒温器控制器件全都安放在左侧（控制侧），所有的通信器件都安放在右侧（接口侧）。

　　控制侧的主要元器件：

　　- 低成本电容电源 – 如功率要求较高，可用开关电源（如基于VIPer06的 STEVAL-ISA071V1）替代这部分器件

　　- 控制和执行部分 -STM8S003微控制器、交流开关 （1个ACST610-8FP、1个ACS110-7SN和2个 ACS102-6TA），用于控制压缩机、除霜电阻、灯泡和风扇

　　- 用户界面：两个温度升降按键；5支绿光LED温度指示器、蜂鸣式开门报警器

　　- 连接器 – 用于连接 NTC和冰箱门开关

　　评估板有两种工作模式（单机或 GUI驱动），可用一个开关开启其中一个模式。在单机模式，控制参数（脉冲时序、温度、冰箱型号）最后装入GUI。

　　STEVAL-IHT001v2 负载控制

　　所有负载由脉冲栅电流以全周期模式控制， STM8S 微控制器检测交流主电源的电流上升沿和下降沿，使栅脉冲与交流主电源的电压同步。

　　图4： 栅电流脉冲时序定义

　　STEVAL-IHT001V2板载温度传感器执行温度控制。该传感器是EPCOS研制的一款隔离型2类NTC电阻器，应该放置在冰箱或冰柜的蒸发器上。调温由一个通断迟滞控制器负责。如果温度测量结果高于上限（THIGH_lim），则开启压缩机；当低于下限（TLOW_lim）时，则关闭压缩机（见图 5）。

　　实现了五个温度设置点；在每个点可指定一个蒸发器温度和一个定义前文提到的极限值的温度迟滞。

　　图 5： 迟滞原理

　　ACST610-8FP器件用驱动压缩机。该器件属于ACS™/ACST系列电源开关，采用A.S.D.® （专用分立器件）技术。 这款高性能开关适用于家电和工业系统，驱动电流高达6A。

　　ACST6系列器件设计用于控制中等功率负载，例如，家电中的交流电机，热性能在静态和瞬变（压缩机电涌电流）时都十分出色。

　　除压缩机控制外，通过一个板载开关还可以模拟冰箱/冰柜开门操作。根据冰箱门开关所在位置，内部照明灯点亮或熄灭。如果冰箱门开启时间超分1分钟，则蜂鸣器报警，同时五个温度LED指示灯闪烁。

　　灯泡由ACS102-6TA驱动，这是一个高性能的交流开关，能够控制最高0.2A的负载。

　　第二个 ACS102-6TA用于控制“气流循环”式冰箱的风扇。风扇只在与压缩机配合工作时才运转，当冰箱门打开时，风扇暂时停止运行。

　　除霜电阻（在除霜和气流循环两款冰箱内，除霜电阻可控制）由ACS110-7SB2驱动。这是一个高性能开关，能够控制最高1A的负载。

　　ACS102 和 ACS110 是为低功率负载专门设计的开关，例如，电磁阀、阀门、继电器、执行器、微电机、泵、风扇和除霜加热器。还用于其它设备（如洗碗机和洗衣机）。

　　在 STEVAL-IHT001V2评估板上，ACS110开关在GUI软件定义的“Defrost activation delay” 参数时间之后打开。这个时间与压缩机ACST ON时间总和比较。当时间总和大于 “Defrost activation delay”时，除霜电阻ACST功能开

　　启，当蒸发器温度高于THIGH_lim（图6）时，开关通电。在PC机软件定义的“Defrost duration”时间内，开关保持通态。

　　Figure 6： Defrost control

　　恒温器评估板PC应用软件

　　这个恒温器评估板PC应用软件的开发目的是让用户能够设置某些控制参数，按照不同的冰箱型号 （基本型、除霜型、气流循环型）配置恒温器，在测试过程中从嵌入式应用采集数据。用户还可以选择用新的控制参数在单机模式下设置STM8S微控制器［5］。

　　GUI有两个控制选项卡：时序控制选项卡和温度控制选项卡。

　　在温度控制选项卡（图7）内，可以设备以下参数：温度档次、每个温度档次的蒸发器温度设置点和温度迟滞。

　　图 7： 温度控制选项卡

　　在时序控制选项卡（图8）内，用户可以控制TRIAC管栅电流脉宽、压缩机和风扇TRIAC管导通延迟、ZVS 延迟（微控制器命令与交流主电源电压同步）、除霜电阻激活延迟和除霜持续时间。点击“Set” 或 “Get” 按钮，即可发送或接收这些参数。

　　图 8： 时序控制选项卡

　　另一个窗口是调试模式窗口，用于强制交流负载状态，简化电路板验证。其它窗口是数据采集、图表分析、测量和数据保存窗口。

　　对于查看众多的严格的能效标准和环保政策同时还要考虑成本的设计人员，像TEVAL-IHT0012一样的评估板太宝贵了。

　　参考文献

　　［1］： Consumers， business and climate change， The University of Manchester Sustainable Consumption Institute

　　［2］Latest Trends in Major Domestic Appliances efficiency， Gfk-RT

　　［3］Single-Phase Induction Motor Drive for a High-Performance Refrigerator，IATC 2003，L. Gonthier

　　［4］ UM1542 - User manual - Cold thermostat kit based on AC switches and the STM8S

　　［5］Thermostat kit V2 PC Software GUI Help