交流負載防雷保護電路設計攻略

　　隨著(zhù)能源日益緊缺和環(huán)保壓力的不斷增大，人類(lèi)更多的依靠可再生能源。開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能已經(jīng)成為了最具前途和回報，最就手可熱的技術(shù)。其中太陽(yáng)能發(fā)電是對太陽(yáng)能的直接轉化和利用。太陽(yáng)能電池利用半導體器件的光伏效應，把太陽(yáng)輻射能轉換成電能，再通過(guò)電子技術(shù)的轉換加以利用或存儲。太陽(yáng)能電池系統的主要部件是太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器和逆變器，其結構框圖如圖1所示。太陽(yáng)能發(fā)電系統分為獨立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統和并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統。獨立太陽(yáng)能光伏發(fā)電是指太陽(yáng)能光伏發(fā)電不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式，典型特征為需要蓄電池來(lái)存儲夜晚用電的能量。獨立太陽(yáng)能光伏發(fā)電在民用范圍內主要用于邊遠的鄉村，如家庭系統、村級太陽(yáng)能光伏電站；在工業(yè)范圍內主要用于電訊、衛星廣播電視、太陽(yáng)能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區還可以組成混合發(fā)電系統，如風(fēng)力發(fā)電/太陽(yáng)能發(fā)電互補系統等。

　　圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統示意圖

　　小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的防雷保護

　　由于太陽(yáng)能電池板所處環(huán)境為戶(hù)外，通常設立在空曠處或高處以保證日照。按照IEC61000-4-5電氣環(huán)境分類(lèi)，其電源連接線(xiàn)路隸屬于4 類(lèi)電氣環(huán)境，即互連線(xiàn)按戶(hù)外電纜沿電源電纜敷設并且這些電纜被作為電子和電氣線(xiàn)路的電氣環(huán)境。依據IEC對4類(lèi)電氣系統的防雷保護要求，太陽(yáng)能發(fā)電系統的電力輸入部分需要進(jìn)行防雷保護，這包括交流電力輸入電路、充放電回路和逆變電路。保護級別依據線(xiàn)線(xiàn)間2KV，線(xiàn)地間4KV的要求進(jìn)行設計。保護形式可能需要按不同電路位置進(jìn)行一級至多級防護。由于太陽(yáng)能發(fā)電系統工作場(chǎng)合環(huán)境苛刻，維修周期長(cháng)，無(wú)人值守，使用壽命要求高等各種特殊需求，需要在進(jìn)行過(guò)壓保護解決方案的設計中，除了對過(guò)壓保護器件的浪涌能力進(jìn)行考慮之外，整個(gè)保護方案的工作壽命和抗老化能力都需要進(jìn)行評估；必要時(shí)應采用6KV防護等級。

　　太陽(yáng)能發(fā)電系統中每一塊太陽(yáng)能電池板電纜首先接入太陽(yáng)能系統控制器的匯流箱。因此在匯流箱及控制器的輸入端應使用如圖2所示的過(guò)壓保護設計。其中A、B和C為過(guò)壓保護器件。對于電壓較高的、高可靠要求的系統和設備，應當使用氣體放電管（GDT）和壓敏電阻（MOV）串聯(lián)來(lái)作為A、B和C位置的保護器件來(lái)完成戶(hù)外電纜的防雷保護。而對于電壓低于48VDC的低功率系統，可以直接使用GDT進(jìn)行過(guò)壓保護?？紤]到過(guò)壓保護器件的失效模式，需要過(guò)流保護器件配合保護。在無(wú)人值守或不易維修的場(chǎng)合，應當使用可自恢復的過(guò)流保護器件。泰科電子電路保護部門(mén)對于此類(lèi)的防雷保護，針對不同的應用環(huán)境和保護要求有著(zhù)多種保護方案。

　　圖2太陽(yáng)能電池匯流盒、控制器輸入端防雷保護

　　對于太陽(yáng)能發(fā)電系統的直流負載也可以采用上述的方案來(lái)進(jìn)行防雷保護。而對于交流負載的防雷保護（即逆變器的輸出端），則需要使用圖3所示的的保護電路設計。泰科電子電路保護部門(mén)對此同樣有著(zhù)深厚的經(jīng)驗積累和多樣的解決方案。

　　圖3 太陽(yáng)能發(fā)電系統交流負載防雷保護電路

　　控制器和逆變器的過(guò)壓/過(guò)流/過(guò)熱保護

　　由于太陽(yáng)能電池陣列提供直流電的電壓和電流都是不穩定的，太陽(yáng)能控制器和逆變器要將其轉換成終端負載或者電網(wǎng)要求的電壓和電流。避免控制器和逆變器遭受ESD以及其它電磁干擾的損害是必要的。除了ESD器件外，泰科電子電路保護部門(mén)推出的2Pro過(guò)流過(guò)壓綜合保護器件可有效解決太陽(yáng)能控制器和逆變器通訊端口的電路保護問(wèn)題。2Pro將聚合物型正溫度系數（PPTC）可恢復過(guò)溫過(guò)流保護器件與傳統壓敏電阻（MOV）貼合在一起使用。2Pro除了可對雷擊，浪涌等瞬態(tài)過(guò)壓保護之外，在電壓波動(dòng)或失中線(xiàn)等長(cháng)時(shí)間過(guò)壓故障中，由于PPTC與MOV貼合在一起，MOV發(fā)散出來(lái)的熱將觸發(fā)PPTC使其動(dòng)作進(jìn)入高阻態(tài)，因而可以保護MOV不會(huì )因為長(cháng)時(shí)間過(guò)壓而燃燒損壞。同時(shí)2Pro還可針對短路等過(guò)流故障進(jìn)行保護，并在故障排除之后，自動(dòng)恢復到正常工作狀態(tài)，免去了更換器件等繁重的維護過(guò)程。圖4所示為2Pro產(chǎn)品的應用電路和實(shí)物圖。

　　圖4 2Pro產(chǎn)品電路和實(shí)物圖

　　由于作為儲能部件的可充電電池在充電程度改變時(shí)，電壓變化范圍較大。對于控制器和逆變器的核心控制單元可以使用泰科電子電路保護部門(mén)的PolyZen器件，PolyZen器件可以更精確地保護昂貴的控制、驅動(dòng)芯片，防止其在電壓過(guò)高地情況下?lián)p壞。圖5所示的為PolyZen器件的應用電路和實(shí)物圖。

　　圖5 PolyZen器件電路和實(shí)物圖

　　在控制器、逆變器的電路中，大功率的半導體開(kāi)關(guān)器件用于電力轉換開(kāi)關(guān)。這些器件即使在規定工作條件下運行，也會(huì )出現隨機、不可預測并且呈現不同阻值的阻性短路。出現電阻失效時(shí)，僅10W的功率就可能產(chǎn)生溫度在180℃以上的局部熱點(diǎn)，遠遠高于典型的印刷電路板玻璃躍變溫度 （135℃），造成電路板的環(huán)氧結構損壞，并產(chǎn)生熱故障事件； 最終可能導致器件及印刷電路板過(guò)熱、冒煙甚至起火。

　　泰科電子電路保護部門(mén)新推出的RTP器件具有既適合最高溫度達 260℃的無(wú)鉛回流焊工藝，又能在激活后在200℃斷開(kāi)進(jìn)行溫度保護。200℃的斷開(kāi)溫度高于大部分正常工作的電子器件的正常工作溫度范圍，有助于防止誤動(dòng)作，提高系統可靠性。 同時(shí)該溫度低于常見(jiàn)無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)。所以，當旁邊的器件在規定溫度范圍內工作時(shí)，RTP器件不會(huì )斷開(kāi)電路，但在器件脫焊和形成額外短路的潛在風(fēng)險之前會(huì )斷開(kāi)電路。這種適合回流焊的表面貼裝溫度保險器件相對于需要手工焊接的插腳溫度保險絲，在裝配焊接后具有良好的可靠性和一致性。

　　儲能電池組的保護

　　在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中，儲能電池的性能和安全也是非常重要的。不管是鉛酸電池還是鋰離子電池構成的儲能電池組，在接線(xiàn)安裝過(guò)程中、在使用中都存在電纜短路、電池正負極誤接短路、或電池組溫度過(guò)高等潛在故障。這些故障輕則損壞設備電路，重則造成財產(chǎn)、人身安全事故。在電池組中合理使用基于PPTC技術(shù)的過(guò)流保護和溫度檢測可有效保護電池組、減少此類(lèi)故障造成的性能下降和安全隱患。

　　任何類(lèi)型的儲能電池組在運輸、安裝及使用時(shí)都有可能遭遇外部短路。為防止電池組短路引起的嚴重后果，過(guò)流保護是必須的。除了 PolySwitch自恢復保險絲以外，泰科電子電路保護部門(mén)還研發(fā)了MHP混合器件。這種MHP器件采用了一種新的混合式技術(shù)，它可提供一種可恢復得、緊湊、穩健的電路保護器件。它能在額定電壓超過(guò)30VDC的情況下提供30A以上的工作電流。這種金屬混合PPTC器件（MHP）由一個(gè)雙金屬片保護器和一個(gè)聚合物正溫度系數（PPTC）器件并聯(lián)而成。這種組合既能提供可復位的過(guò)電流保護功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來(lái)防止雙金屬片在大電流條件下產(chǎn)生電弧，同時(shí)還能加熱雙金屬片，使其保持在打開(kāi) 鎖定狀態(tài)。這種器件避免了電路斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的拉弧，故而延長(cháng)了觸電的壽命。由于該器件是密封且無(wú)弧，特別適合防暴場(chǎng)合的應用。

　　圖6 MHP30-36實(shí)物圖和機械尺寸圖

　　圖6所示的MHP30-36器件是泰科電子規劃的MHP產(chǎn)品系列中的首批器件，最大額定值為36VDC/100A，在 100A （@25°C）條件下的跳閘時(shí)間小于5秒。這些器件的工作電流為30A，初始電阻不到2mΩ，低于常見(jiàn)雙金屬保護器的初始電阻（通常為3至4mΩ）。該系列的產(chǎn)品能為太陽(yáng)能發(fā)電系統中的儲能系統提供更可靠和安全的電路保護。

　　由于充、放電及能量密度等方面的優(yōu)勢，越來(lái)越多的鋰離子電池組用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中。鋰離子電池組的安全保護的要求更加嚴格。除了傳統過(guò)流、過(guò)溫（過(guò)沖引起的）保護要求之外，高串鋰離子電池的均衡以及電壓檢測電路的保護問(wèn)題均隨之而來(lái)。泰科電子電路保護部門(mén)成功為高串鋰離子電池組客戶(hù)提供了涉及過(guò)溫檢測保護，以及均衡及電壓檢測電路短路保護的解決方案，并在客戶(hù)應用中得到了很好的驗證。圖7所示即為PPTC在高串鋰離子電池組中的應用，主要用于檢測電池組內部溫度實(shí)現過(guò)溫保護和防止電池在均衡或者電壓檢測過(guò)程中的短路狀況。

　　圖7 PPTC在高串鋰離子中的應用：溫度檢測保護以及均衡/電壓檢測短路保護

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的負載可以是多種多樣的子系統或設備，譬如LED照明燈具，野外無(wú)人值守檢測、記錄或通訊設施等。依據子系統的特征和使用環(huán)境不同，子系統及設備也需要不同等級的電路保護。在設計這些保護時(shí)，應當從系統的角度出發(fā)，協(xié)同耦合各設備、各子系統保護，以達到最好的保護系統的效果。在這方面，泰科電子瑞侃電路保護部擁有豐富的經(jīng)驗，竭誠為業(yè)內客戶(hù)提供完整的解決方案。