双极三端双向交流开关短路检测和安全电路及方法
【专利说明】双极三端双向交流开关短路检测和安全电路及方法
[0001]相关申请参照
[0002]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
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]ffeiss/Lin的美国专利n0.5，420, 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。
[0007]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 Al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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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、晶丨?管基AC开关、二端双向交流开关等同物等。
[0012]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。
[0013]参照图1，其描述了现有技术电路，MCU Ul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HTl供能。MCU Ul周期性地停止触发脉冲以评价三端双向交流开关Ql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Ql的ΜΤ2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Ql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Fl并将加热器HTl与电力线断开。
[0014]然而，图1的现有技术电路不响应三端双向交流开关Ql的ΜΤ2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Ql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。
[0015]本发明的目的
[0016]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】
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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】
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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A