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浪涌保護(hù)器的概述及其在浪涌抑制器件中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2011-01-31 來源:維庫

中心議題:

  • SPD的成因和地位
  • 常見的浪涌抑制器件特點(diǎn)
  • 常見的浪涌抑制器件應(yīng)用方案


引言

21世紀(jì)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代信息通信系及電子設(shè)備間的信息交流都是通過數(shù)據(jù)及高頻信號(hào)進(jìn)行傳遞。隨著近代高科技的發(fā)展,尤其是微電子技術(shù)的高速發(fā)展,雷電災(zāi)害越來越頻繁,損失越來越大,僅靠避雷針已無法保護(hù)建筑物、人和電器設(shè)備。微電子設(shè)備及信息系統(tǒng)的電磁兼容能力低,抗雷電、電磁浪涌的能力弱,而雷電浪涌又無處不在,因此浪涌防護(hù)器是現(xiàn)代化的大廈、銀行、證交所、航空航天、船舶鐵路、石油化工---只要是具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、微電子設(shè)備、通信系統(tǒng)的場所必備的防護(hù)器件。近期多次、多處的通信暫停事故、設(shè)備損壞、油管油庫起火爆炸事故,不少是由雷電浪涌引起的線路過電壓) 過電流造成的,因此必須為建筑物、設(shè)備及系統(tǒng)安裝浪涌防護(hù)器。

浪涌保護(hù)器(Surge protective device, SPD) , 也稱電涌保護(hù)器、避雷器等, 浪涌保護(hù)器并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備兩端,通過泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來保護(hù)電子設(shè)備。泄放雷電流、限制浪涌電壓這兩個(gè)作用都是由其非線性元件(一個(gè)非線性電阻,或是一個(gè)開關(guān)元件)完成的。在被保護(hù)電路正常工作。瞬態(tài)浪涌未到來以前,此元件呈現(xiàn)極高的電阻,對(duì)被保護(hù)電路沒有影響;而當(dāng)瞬態(tài)浪涌到來時(shí),此元件迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楹艿偷碾娮瑁瑢⒗擞侩娏髋月?,并將被保護(hù)設(shè)備兩段的電壓限制在較低的水平。到浪涌結(jié)束,該非線性元件又迅速、自動(dòng)地恢復(fù)為極高電阻。它的作用是保證電子設(shè)備免受浪涌過電壓(雷電過電壓、操作過電壓等) 的破壞, 既不影響設(shè)備的正常工作, 又將過電壓限制在相應(yīng)設(shè)備的耐壓等范圍內(nèi), 目的在于限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流, 也是等電位連接的一種方法。浪涌防護(hù)系統(tǒng)最常用的防護(hù)器件主要有氧化金屬壓敏電阻(MOV)、硅瞬變電壓吸收二極管(TVS)、放電管等。不同特性的SPD應(yīng)用于不同的雷電防護(hù)環(huán)境,并通過級(jí)聯(lián)組合發(fā)揮作用。

1 SPD的成因和地位

SPD主要是保護(hù)電子設(shè)備免受雷電浪涌的危害 ,也兼而使電子設(shè)備免受大部分操作浪涌的危害。

1.1  浪涌的成因

浪涌是指瞬態(tài)電沖擊 ,包括浪涌沖擊、電流沖擊和功率沖擊。此處所謂瞬態(tài)是指持續(xù)時(shí)間大大低于工頻周期(0.02s)的瞬變過程。對(duì)地閃擊的雷電流波形的特點(diǎn)是上升時(shí)間極短 (0.1~幾個(gè)s) ,而下降時(shí)間相對(duì)較長(幾十到幾百μs)的單極性波。典型操作浪涌波形是疊加在工頻波形上的幾百Hz到上百kHz的振蕩波 ,整個(gè)持續(xù)時(shí)間不過幾個(gè)工頻周期。雷電和操作電涌的峰值與很多因素有關(guān) ,出現(xiàn)在建筑物內(nèi)的電涌從近kV到幾十kV,如不加以限制會(huì)損壞電子設(shè)備。

電子設(shè)備遭受雷害會(huì)引起電子設(shè)備的誤動(dòng);電源設(shè)備和貴重的計(jì)算機(jī)及各種硬件設(shè)備的損壞 ,造成直接經(jīng)濟(jì)損失;引起電子設(shè)備正常工作的中斷 ,對(duì)社會(huì)造成不良影響和巨大的間接經(jīng)濟(jì)損失;還可能在微電子芯片中留下潛伏性的隱患 ,使電子設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定和加速老化 ,給有關(guān)系統(tǒng)的工作造成無窮的麻煩。

雷電途徑和綜合防雷措施如圖1所示。可以看出浪涌的成因有以下幾個(gè)方面:

雷電途徑和綜合防雷措施

1.1.1  直擊雷引起的反擊

信息系統(tǒng)一般不暴露在可能直接遭受雷擊的場所 ,直擊雷直接破壞電子設(shè)備幾無可能。雷害破壞電子設(shè)備的方式可能是由直擊雷電流通過接地裝置時(shí)造成的高電壓使電子設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)擊穿。這種雷害方式稱為反擊。

1.1.2  侵入波

雷電擊中與電子設(shè)備連接的戶外架空線(交流配電線、信號(hào)線、電話線) ,則雷電波就會(huì)沿線傳入。這種方式稱為侵入波。由于戶外線延伸很廣 ,因此雷電侵入的可能性較大。
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1.1.3  雷電感應(yīng)

直擊雷電流通過引下線 (如建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋) 時(shí)在室內(nèi)引起電磁感應(yīng)。雖然感應(yīng)電壓不如前述幾種高 ,卻也足以破壞電子元件 ,而且它最接近電子設(shè)備 ,在建筑物內(nèi)部各處都可能出現(xiàn)。設(shè)備越是接近雷電流引下線 ,感應(yīng)電壓越高。另一種情況是雷擊建筑物附近地面 ,雷擊通道的強(qiáng)電流產(chǎn)生的磁場也能在建筑物內(nèi)部引起電磁感應(yīng)。如雷電流較大 ,建筑物附近1.5~2 km的雷擊就有可能影響室內(nèi)的電子設(shè)備。

1.2  浪涌保護(hù)在綜合防雷體系中的地位

浪涌保護(hù)通過泄放雷電流、限制浪涌電壓來保護(hù)電子設(shè)備 ,是電子設(shè)備防雷的主要手段 ,也是內(nèi)部防雷保護(hù)的主要措施,從而成為綜合防雷體系(圖2)中的重要組成部分。僅有接閃器、接地裝置 ,并不能避免雷電波沿線路的入侵;也不能在實(shí)際可能的低接地電阻值下防止反擊。為了保護(hù)電子設(shè)備還需要電涌保護(hù)。反過來講,浪涌保護(hù)也以外部防雷保護(hù)為前提 ,浪涌保護(hù)也應(yīng)與內(nèi)部防雷保護(hù)其他措施(等電位連接 ,屏蔽) 密切配合。除非本建筑物受到附近其他更高建構(gòu)筑物提供的直接雷防護(hù) ,包含電子設(shè)備的建筑物應(yīng)具備一定的外部防雷保護(hù)措施。沒有接閃器 ,建筑物的安全都不能保證,何談內(nèi)部設(shè)備的安全。建筑物的接地電阻值過大,易于發(fā)生反擊,反擊時(shí)大部分雷電流不是向地下泄放而是經(jīng)SPD流向配電變壓器 ,加重了SPD的負(fù)擔(dān)。

作為一種保護(hù)措施 ,浪涌保護(hù)器的配置和浪涌保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與人身保護(hù)措施(直接接觸保護(hù)和間接接觸保護(hù) ……漏電保護(hù))、短路保護(hù)等協(xié)調(diào) ,共同保證人身安全、設(shè)備安全和系統(tǒng)(如供電)工作的連續(xù)性。有些設(shè)備 ,如醫(yī)療急救設(shè)備 ,設(shè)備安全與人身安全密切相關(guān)。

現(xiàn)代綜合防雷體系構(gòu)成

2  常見的浪涌抑制器件特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1  金屬氧化物壓敏電阻(Metal oxide varistor)

壓敏電阻由金屬氧化物(主要是氧化鋅)材料組成,屬箝位型器件,其特性與兩只背對(duì)背聯(lián)接的穩(wěn)壓管非常相似,有著毫微秒級(jí)的響應(yīng)速度。壓敏電阻對(duì)瞬變信號(hào)的吸收能力與其體積成正比:其厚度正比于電壓;面積正比于電流。壓敏電阻是目前在電子產(chǎn)品中使用最廣泛的浪涌抑制器件。當(dāng)壓敏電阻上的電壓超過一定幅度時(shí),電阻的阻值大幅度降低,從而將浪涌能量泄放掉。在浪涌電壓作用下,導(dǎo)通后的壓敏電阻上的電壓(一般稱為箝位電壓),等于流過壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值,因此在浪涌電流的峰值處箝位電壓達(dá)到最高[1]。
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每一塊壓敏電阻從制成時(shí)就有它的一定的開關(guān)電壓,當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數(shù)值時(shí),壓敏電阻呈現(xiàn)高阻值狀態(tài),如果把它并聯(lián)在電路上,該閥片呈現(xiàn)斷路狀態(tài);當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數(shù)值時(shí),壓敏電阻被擊穿,呈現(xiàn)低阻值,甚至接近短路狀態(tài)。這種擊穿狀態(tài)是可以恢復(fù)的。其開關(guān)特性如下圖3 所示:

氧化鋅壓敏電阻的開關(guān)特性
 

2.1.1 壓敏電阻的特點(diǎn):

a)優(yōu)點(diǎn):電壓范圍很寬,可從幾伏到幾千伏;吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培,反應(yīng)速度快,無極性,無續(xù)流,峰值電流承受能力較大,價(jià)格低。

b)缺點(diǎn):鉗位電壓較高,一般可以達(dá)到工作電壓的2-3倍;而且,隨著受到浪涌沖擊次數(shù)的增加,漏電流增加;另外,響應(yīng)時(shí)間較長,寄生電容較大。

c)適用場合:直流電源線、低頻信號(hào)線,或者與氣體放電管串聯(lián)起來用在交流電源線上 。

2.1.2 壓敏電阻的選擇:

a)從抑制瞬變干擾的角度出發(fā),壓敏電壓要盡量降低以接近被保護(hù)電路的工作電壓;從提高元件壽命來看,又要拉開兩者差距。一般折衷的選取方案為:對(duì)交流工作電路,壓敏電壓值為工作電壓的2.2倍;對(duì)直流工作電路,壓敏電壓值為工作電壓的1.5倍。

b)通流量的選?。涸趯?shí)際應(yīng)用中,壓敏電阻所吸收的最大浪涌電流應(yīng)小于它的最大通流量。對(duì)同一應(yīng)用場合,當(dāng)最大通流量增加一倍,壓敏電阻的壽命也同步增加一倍。

2.2  硅瞬變電壓吸收二極管(Transient voltage suppressor)

TVS為電壓箝位型工作方式,亞納秒級(jí)的響應(yīng)速度。TVS有多種封裝方式,可滿足不同場合的需要。當(dāng) TVS上的電壓超過一定的幅度時(shí),器件迅速導(dǎo)通,通過PN結(jié)反向過壓雪崩擊穿將浪涌能量泄放掉。由于這類器件導(dǎo)通后阻抗很小,因此它的箝位電壓很平坦,并且很接近工作電壓。

2.2.1  硅瞬變電壓吸收二極管的特點(diǎn)

a)優(yōu)點(diǎn):響應(yīng)時(shí)間短,漏電流小,擊穿電壓偏差小,箝位電壓低(相對(duì)于工作電壓)動(dòng)作精度高,無跟隨電流(續(xù)流),體積小,每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會(huì)下降,可靠性高。

b)缺點(diǎn):由于所有功率都耗散在二極管的PN結(jié)上,因此它所承受的功率值較小,允許流過的電流較小。一般的TVS器件的寄生電容較大,如在高速數(shù)據(jù)線上使用,要用特制的低電容器件,但是低電容器件的額定功率往往較小。

c)適用場合:浪涌能量較小的場合。如果浪涌能量較大,要與其它大功率浪涌抑制器件一同使用,則把它作為后級(jí)防護(hù)。

2.2.2   硅瞬變電壓吸收二極管的選擇

a)最大箝位電壓VCMAX應(yīng)不大于電流的最大允許安全電壓。

b)最大反向工作電壓VRWM應(yīng)不低于電路的最大工作電壓,一般略高于電路的工作電壓。

c)TVS額定的最大脈沖功率必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

 ?。洌?duì)小電流負(fù)載的保護(hù),可在二極管之前串接適當(dāng)?shù)南蘖麟娮瑁瑥亩蛇x用小的峰值吸收功率的VS來擔(dān)任這一功能。
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2.3  氣體放電管(Gas discharge tube)

氣體放電管采用陶瓷密閉封裝,內(nèi)部由兩個(gè)或數(shù)個(gè)帶間隙的金屬電極,充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構(gòu)成。當(dāng)加到兩電極端的電壓達(dá)到使氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時(shí),氣體放電管便開始放電,器件變?yōu)槎搪窢顟B(tài),使電極兩端的電壓不超過擊穿電壓。氣體放電管一旦導(dǎo)通后,它兩端的電壓會(huì)很低。氣體放電管有兩極和三極之分,可分別用于線間和線-地間的保護(hù)。其伏秒特性如下圖5:

放電管伏秒特性

2.3.1  氣體放電管的特點(diǎn)

a)優(yōu)點(diǎn):承受電流大,絕緣電阻高,漏電流小,寄生電容小。

b)缺點(diǎn):點(diǎn)火電壓高,殘壓較高,反應(yīng)時(shí)間慢≥100ns),動(dòng)作電壓精度較低,會(huì)慢性漏氣、有光敏效應(yīng)、離散性大。有跟隨電流(續(xù)流)。若跟隨電流的時(shí)間較長,會(huì)導(dǎo)致放電管觸點(diǎn)迅速燒毀,從而縮短放電管的壽命。

c)適用場合:信號(hào)線或工作電壓低于導(dǎo)通維持電壓的直流電源線上(一般低于10V);與壓敏電阻組合起來用在交流電源線上。它具有很強(qiáng)的沖擊電流吸收能力,但有著較高的起弧電壓,所以比較適合做一級(jí)粗保護(hù)。

2.3.2  氣體放電管的選擇

在直流電路中氣體放電管的標(biāo)稱電壓選擇為工作電壓的1.8倍;在交流電路中選擇為工作電壓有效值的2.5倍。氣體放電管標(biāo)稱電流容量應(yīng)大于被保護(hù)電路的可能最大浪涌沖擊容量。由于有跟隨電流(續(xù)流),氣體放電管一般不可使用在直流電路中,除非直流工作電壓低于氣體放電管的擊穿維持電壓。

2.4  其它浪涌吸收器件

2.4.1 固體放電管

固體放電管是一種新的瞬變電壓吸收器件,與氣體放電管一樣同屬能量轉(zhuǎn)移型保護(hù)器件,但性能更理想。如通態(tài)壓降僅3V左右,接近短路;納秒級(jí)的響應(yīng)速度;動(dòng)作電壓穩(wěn)定;使用壽命長;能雙方向吸收正、負(fù)極性的瞬變電壓。 固體放電管有一定的結(jié)電容;在脈沖狀態(tài)下觸發(fā)電壓較直流擊穿電壓稍有提高(如200V的管子其脈沖觸發(fā)電壓為350V),比氣體放電管要好得多。固體放電管的失效模式是短路,其意義在于不會(huì)使故障擴(kuò)大,也便于值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和處理故障[3]。

2.4.2 晶閘管型防護(hù)器件

晶閘管型防護(hù)器件有兩種:

a)控制柵極型雙向三端器件, 如SCR、TRLAO等。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電源電路的輸出端都有電壓過載保護(hù),用一個(gè)電平觸發(fā)SCR的控制柵極將輸出短路而中斷供電,響應(yīng)時(shí)間約100μS,這對(duì)電壓敏感的器件有可能造成損壞,它的優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大,缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓易變化,響應(yīng)時(shí)間慢。

b)控制維持電流型雙向兩端器件。由PNPNP五層組成,其結(jié)構(gòu)是在單芯片上逆向并聯(lián)組成的復(fù)合器件。該器件的直流放電開啟電壓與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系基本上不隨浪涌電壓上升率的增加而增加,浪涌電流增加時(shí),該器件的直流放電開啟電壓基本保持不變。該器件還具有響應(yīng)速率快、不需多級(jí)防護(hù)電路、耐電流量大、靜電容量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),特別適用于防護(hù)雷電浪涌。

2.5  氣體放電管和壓敏電阻組合應(yīng)用

氣體放電管和壓敏電阻都不適合單獨(dú)在交流電源線上使用。一個(gè)實(shí)用的方案是將氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)起來使用。如果同時(shí)在壓敏電阻上并聯(lián)一個(gè)電容,浪涌電壓到來時(shí),可以更快地將電壓加到氣體放電管上,縮短導(dǎo)通時(shí)間。這種氣體放電管與壓敏電阻的組合除了可以避免上述缺點(diǎn)以外,還有一個(gè)好處就是可以降低限幅電壓值??梢允褂脤?dǎo)通電壓較低的壓敏電阻,從而可以降低限幅電壓值。

該連接方式對(duì)浪涌電壓的抑制作用如圖6所示。采用組合式保護(hù)方案能發(fā)揮不同保護(hù)器件的各自特點(diǎn),從而取得最好的保護(hù)效果。

氣體放電管和壓敏電阻串聯(lián)使用的效果

參考文獻(xiàn):

[1]尹天文,王碧云,蔣容興.電涌保護(hù)器脫離器的設(shè)計(jì)與研究[J].低壓電器,2006(08):45-46

[2]許年生,劉明東.開關(guān)型SPD觸發(fā)技術(shù)的探討[J].低壓電器,2010(07):14-17

[3]王宏民.ABBOVRT1電壓開關(guān)型SPD的技術(shù)特點(diǎn)[J].低壓電器,2010(07):57-60

 

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