使用泄流型保護晶閘管避免現場(chǎng)故障

　　Teddy?To?（Littelfuse公司?高級技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）

　　Walt?Tian?（Littelfuse公司?技術(shù)支持經(jīng)理）

　　Andy?Xu?（Littelfuse公司?高級技術(shù)支持工程師）

　　摘?要：確保產(chǎn)品滿(mǎn)足電源線(xiàn)瞬變的可靠性是設計的關(guān)鍵之一，這在產(chǎn)品設計過(guò)程中通常不會(huì )引起適當的關(guān)注。雖然由于高壓瞬變而導致的產(chǎn)品故障是外部事件，但該故障是由于設計不足以保護產(chǎn)品的內部電路而引起的。因此，電源線(xiàn)浪涌保護是確保堅固耐用的交流電源設備必不可少的要素。本文介紹了使用泄流型保護晶閘管來(lái)避免現場(chǎng)故障的解決方案。

　　關(guān)鍵詞：泄流型；保護晶閘管；現場(chǎng)故障

　　對于制造商來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品在現場(chǎng)的故障都是昂貴的，并且會(huì )讓客戶(hù)感覺(jué)質(zhì)量很差。

　　SIDACtor I-V曲線(xiàn)如圖1，它是一種具有關(guān)閉狀態(tài)和開(kāi)啟狀態(tài)的雙極型器件。V _DRM 是最大截止狀態(tài)電壓。在那種狀態(tài)下，最大電流 I _DRM 是截止狀態(tài)漏電流。當器件兩端的電壓達到擊穿電壓V _S 時(shí)，器件切換到導通狀態(tài)，并導通大電流。SIDACtor將I _H （保持電流）保持在低電壓V _T （保持電壓）上。由于V _T 較低，SIDACtor在滿(mǎn)足功率要求時(shí)可以保持較大的電流。

　　確保產(chǎn)品滿(mǎn)足電源線(xiàn)瞬變的可靠性是設計的一個(gè)關(guān)鍵方面，這在產(chǎn)品設計過(guò)程中通常不會(huì )引起適當的關(guān)注。雖然由于高壓瞬變而導致的產(chǎn)品故障是外部事件，但該故障是由于設計不足以保護產(chǎn)品的內部電路而引起的。因此，電源線(xiàn)浪涌保護是確保堅固耐用的交流電源設備必不可少的要素。

　　高壓瞬變的潛在來(lái)源是天氣條件。雷電會(huì )在電源線(xiàn)上引起高壓和浪涌電流。由施工錯誤或交通事故引起的電源線(xiàn)損壞也可能導致較大的瞬變。即使沒(méi)有問(wèn)題，由于高負載例如大電流負載（例如大型電動(dòng)機）的掉電或斷電而引起的di/dt電流減小，也會(huì )在電源線(xiàn)上產(chǎn)生瞬變。瞬態(tài)峰值也可能是流過(guò)零線(xiàn)上高于正常阻抗的電流，或三相電力系統上的單相故障引起。

　　高壓瞬變會(huì )損壞產(chǎn)品，從而導致保修期內的維修失敗和客戶(hù)的不滿(mǎn)意。為客戶(hù)解決問(wèn)題可能是一項昂貴的服務(wù)；制造商可能會(huì )從失望的客戶(hù)那里體驗到未來(lái)業(yè)務(wù)的潛在損失。

　　浪涌保護是保護產(chǎn)品免受高壓瞬變損害的方法。瞬變可能會(huì )導致數據傳輸中的間歇性錯誤或產(chǎn)品永久損壞。幸運的是，有可用的元件可提供對高壓瞬變的保護。

　　電源線(xiàn)浪涌保護設計有多種選擇，設計工程師應了解每種選擇的優(yōu)缺點(diǎn)。包括過(guò)電壓保護元件，例如金屬氧化物電阻（MOV），瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，氣體放電管（GDT）以及用于交流電的保護晶閘管或硅二極管（SIDAC）。Littelfuse是一家電路保護器件制造商，生產(chǎn)以SIDACtor ^? 為商標的產(chǎn)品。TVS二極管和MOV是鉗位型元件，而GDT和保護晶閘管是泄流型器件。在此應用中，鉗位定義為當超過(guò)元件的過(guò)電壓閾值時(shí)，將元件兩端的電壓保持在基本穩定的水平。泄流是指超過(guò)元件的過(guò)電壓閾值時(shí)將電壓限制在較小的值。泄流器件像數字開(kāi)關(guān)一樣可有效響應過(guò)壓而導通。

　　鉗位型器件具有更快的響應時(shí)間，但其電流處理能力有限。這些器件還具有與傳導電流有關(guān)的鉗位電壓。當2個(gè)器件都處于過(guò)電壓保護狀態(tài)時(shí)，由于箝位電壓高于泄流保護器件的保持電壓，因此對于高壓瞬變，鉗位器件的導通峰值電流較低。

　　泄流型器件可以處理更高的浪涌電流，因為當器件切換到導通狀態(tài)時(shí)，鉗位電壓非常低。接近短路的條件將瞬態(tài)能量從產(chǎn)品電路中分流出去。泄流元件提供給產(chǎn)品電路的低電壓進(jìn)一步降低了產(chǎn)品上的任何壓力。

　　MOV和TVS元件是鉗位型保護器件，可以處理高峰值電流。MOV可以承受高達70kA的瞬態(tài)電流峰值。它們是低成本的保護器件，但它們確實(shí)具有較高的截止漏電流的缺點(diǎn)。TVS元件不具有MOV的峰值電流容量，但具有較低的通態(tài)鉗位電壓。TVS器件的使用壽命比MOV器件更長(cháng)，因為MOV器件會(huì )由于持續的過(guò)電壓條件而退化，從而導致器件中的過(guò)度散熱。與泄流型器件相比，MOV和TVS元件均具有更高的寄生電容，當遭受高dv/dt或高di/dt瞬變時(shí)，產(chǎn)生高過(guò)沖電壓。

　　GDT和SIDACtor這2個(gè)鉗位型元件有很大不同。當達到閾值電壓時(shí)，GDT依靠氣體拉弧并傳導電流，而SIDACtor是半導體器件。與MOV相似，GDT的壽命有限，這取決于氣體被電離和傳導的次數。氣體被離子化后被吸附在電極上。GDT可以承受較大的峰值電流，但響應時(shí)間比SIDACtor慢得多。GDT無(wú)法阻止非常窄的高壓瞬態(tài)脈沖到產(chǎn)品。

　　在4種浪涌保護元件中，SIDACtor具有交流電源線(xiàn)保護的最佳特性組合。它具有長(cháng)壽命，而不受器件承受的高壓瞬變次數的影響。SIDACtor具有低導通狀態(tài)泄流電壓和快速導通特性。對于高dv/dt或高di/dt浪涌，它的過(guò)沖電壓最小，和低截止漏電流。表1比較了4種保護器件。

　　圖1顯示了SIDACtor的特性曲線(xiàn)。在低于最大截止狀態(tài)電壓V DRM 時(shí)，SIDACtor具有低漏電流I _DRM 。漏電流約為幾微安。當電壓達到器件的峰值擊穿電壓V _S 時(shí)，器件打開(kāi)并切換到低保持電壓V _T 。由于元件上的電壓被短路在低電壓下，SIDACtor可以支持大的瞬態(tài)電流，1個(gè)能夠處理5000A峰值浪涌電流的SIDACtor被封裝在標準的TO-218封裝中，便于印刷電路板的布局。

　　幸運的是，器件被完全保護而不受高壓瞬變的影響僅需幾個(gè)元件。圖2顯示了用于保護產(chǎn)品電源電路的三元件解決方案。SIDACtor與電源電路并聯(lián)，以提供針對交流電源線(xiàn)上瞬變的保護。由于SIDACtor與電源電路并聯(lián)，因此當交流線(xiàn)上沒(méi)有高壓瞬變時(shí)，SIDACtor對產(chǎn)品的性能沒(méi)有影響。SIDACtor具有低漏電流，在額定交流電源線(xiàn)電壓下僅消耗毫瓦的功率。與SIDACtor串聯(lián)的保險絲保護元件免受1個(gè)或多個(gè)完整交流周期的電流浪涌。串聯(lián)保險絲為電源電路提供傳統的過(guò)電流保護。串聯(lián)保險絲放置在SIDACtor電路之后，以保護保險絲免受高壓瞬變的影響。這個(gè)三元件網(wǎng)絡(luò )為電源電路提供了過(guò)壓和過(guò)流保護。

　　圖3顯示了SIDACtor對交流線(xiàn)路瞬變的快速響應。綠色曲線(xiàn)是電壓瞬變產(chǎn)生的高電流波形。藍線(xiàn)表示SIDACtor如何快速響應短路導通，使電源達到安全的低電壓。

　　SIDACtor也可以與MOV結合使用，為可能被高鉗位電壓損壞的電路提供低電壓鉗位保護（見(jiàn)圖4）。MOV的阻抗將瞬變后的最大電流降低至少1/5，這會(huì )降低SIDACtor吸收的總瞬時(shí)能量，并確保SIDACtor得到保護。該組合的第2個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是漏電流低于MOV自身的漏電流。對于必須滿(mǎn)足低功耗標準的產(chǎn)品，在設備處于關(guān)閉狀態(tài)或待機狀態(tài)時(shí)，將其產(chǎn)生的漏電流降至最低，對于最大化電源效率至關(guān)重要。

　　逆變器（圖5）是可以將SIDACtor-MOV組合用于交流電源線(xiàn)浪涌保護的應用。SIDACtor-MOV組合可保護逆變器驅動(dòng)電路免受差分高壓瞬變的影響。當交流電源對零線(xiàn)具有相對較高的阻抗時(shí)，并聯(lián)MOV可防止零線(xiàn)到地線(xiàn)連接中的浪涌。對于由三相交流線(xiàn)路供電的逆變器，建議對三相交流線(xiàn)路的每相使用SIDACtor-MOV組合。這種保護拓撲結構也推薦用于電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)以及光伏逆變器。

　　有許多不同的元件可提供針對高壓瞬變的保護級別。對于交流電源線(xiàn)保護，SIDACtor是市場(chǎng)上最具成本效益的元件。它具有低導通泄流電壓，對瞬態(tài)事件的快速響應，壽命長(cháng)以及可承受高浪涌電流的特點(diǎn)。SIDACtor或SIDACtor-MOV的串聯(lián)組合與保險絲結合使用以提供過(guò)流保護，可為產(chǎn)品的電源電路提供出色且簡(jiǎn)單的保護網(wǎng)絡(luò )。

　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第05期第36頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）