使用泄流型保護(hù)晶閘管避免現(xiàn)場故障

　　Teddy?To?（Littelfuse公司?高級技術(shù)營銷經(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)品滿足電源線瞬變的可靠性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，這在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中通常不會(huì)引起適當(dāng)?shù)年P(guān)注。雖然由于高壓瞬變而導(dǎo)致的產(chǎn)品故障是外部事件，但該故障是由于設(shè)計(jì)不足以保護(hù)產(chǎn)品的內(nèi)部電路而引起的。因此，電源線浪涌保護(hù)是確保堅(jiān)固耐用的交流電源設(shè)備必不可少的要素。本文介紹了使用泄流型保護(hù)晶閘管來避免現(xiàn)場故障的解決方案。

　　關(guān)鍵詞：泄流型；保護(hù)晶閘管；現(xiàn)場故障

　　對于制造商來說，產(chǎn)品在現(xiàn)場的故障都是昂貴的，并且會(huì)讓客戶感覺質(zhì)量很差。

　　SIDACtor I-V曲線如圖1，它是一種具有關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)的雙極型器件。V _DRM 是最大截止?fàn)顟B(tài)電壓。在那種狀態(tài)下，最大電流 I _DRM 是截止?fàn)顟B(tài)漏電流。當(dāng)器件兩端的電壓達(dá)到擊穿電壓V _S 時(shí)，器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)，并導(dǎo)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在滿足功率要求時(shí)可以保持較大的電流。

　　確保產(chǎn)品滿足電源線瞬變的可靠性是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面，這在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中通常不會(huì)引起適當(dāng)?shù)年P(guān)注。雖然由于高壓瞬變而導(dǎo)致的產(chǎn)品故障是外部事件，但該故障是由于設(shè)計(jì)不足以保護(hù)產(chǎn)品的內(nèi)部電路而引起的。因此，電源線浪涌保護(hù)是確保堅(jiān)固耐用的交流電源設(shè)備必不可少的要素。

　　高壓瞬變的潛在來源是天氣條件。雷電會(huì)在電源線上引起高壓和浪涌電流。由施工錯(cuò)誤或交通事故引起的電源線損壞也可能導(dǎo)致較大的瞬變。即使沒有問題，由于高負(fù)載例如大電流負(fù)載（例如大型電動(dòng)機(jī)）的掉電或斷電而引起的di/dt電流減小，也會(huì)在電源線上產(chǎn)生瞬變。瞬態(tài)峰值也可能是流過零線上高于正常阻抗的電流，或三相電力系統(tǒng)上的單相故障引起。

　　高壓瞬變會(huì)損壞產(chǎn)品，從而導(dǎo)致保修期內(nèi)的維修失敗和客戶的不滿意。為客戶解決問題可能是一項(xiàng)昂貴的服務(wù)；制造商可能會(huì)從失望的客戶那里體驗(yàn)到未來業(yè)務(wù)的潛在損失。

　　浪涌保護(hù)是保護(hù)產(chǎn)品免受高壓瞬變損害的方法。瞬變可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中的間歇性錯(cuò)誤或產(chǎn)品永久損壞。幸運(yùn)的是，有可用的元件可提供對高壓瞬變的保護(hù)。

　　電源線浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)有多種選擇，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)了解每種選擇的優(yōu)缺點(diǎn)。包括過電壓保護(hù)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(hù)晶閘管或硅二極管（SIDAC）。Littelfuse是一家電路保護(hù)器件制造商，生產(chǎn)以SIDACtor ^? 為商標(biāo)的產(chǎn)品。TVS二極管和MOV是鉗位型元件，而GDT和保護(hù)晶閘管是泄流型器件。在此應(yīng)用中，鉗位定義為當(dāng)超過元件的過電壓閾值時(shí)，將元件兩端的電壓保持在基本穩(wěn)定的水平。泄流是指超過元件的過電壓閾值時(shí)將電壓限制在較小的值。泄流器件像數(shù)字開關(guān)一樣可有效響應(yīng)過壓而導(dǎo)通。

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

　　泄流型器件可以處理更高的浪涌電流，因?yàn)楫?dāng)器件切換到導(dǎo)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(hù)器件，可以處理高峰值電流。MOV可以承受高達(dá)70kA的瞬態(tài)電流峰值。它們是低成本的保護(hù)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，因?yàn)镸OV器件會(huì)由于持續(xù)的過電壓條件而退化，從而導(dǎo)致器件中的過度散熱。與泄流型器件相比，MOV和TVS元件均具有更高的寄生電容，當(dāng)遭受高dv/dt或高di/dt瞬變時(shí)，產(chǎn)生高過沖電壓。

　　GDT和SIDACtor這2個(gè)鉗位型元件有很大不同。當(dāng)達(dá)到閾值電壓時(shí)，GDT依靠氣體拉弧并傳導(dǎo)電流，而SIDACtor是半導(dǎo)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(dǎo)的次數(shù)。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(yīng)時(shí)間比SIDACtor慢得多。GDT無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(hù)元件中，SIDACtor具有交流電源線保護(hù)的最佳特性組合。它具有長壽命，而不受器件承受的高壓瞬變次數(shù)的影響。SIDACtor具有低導(dǎo)通狀態(tài)泄流電壓和快速導(dǎo)通特性。對于高dv/dt或高di/dt浪涌，它的過沖電壓最小，和低截止漏電流。表1比較了4種保護(hù)器件。

　　圖1顯示了SIDACtor的特性曲線。在低于最大截止?fàn)顟B(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(dāng)電壓達(dá)到器件的峰值擊穿電壓V _S 時(shí)，器件打開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(biāo)準(zhǔn)的TO-218封裝中，便于印刷電路板的布局。

　　幸運(yùn)的是，器件被完全保護(hù)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(hù)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上瞬變的保護(hù)。由于SIDACtor與電源電路并聯(lián)，因此當(dāng)交流線上沒有高壓瞬變時(shí)，SIDACtor對產(chǎn)品的性能沒有影響。SIDACtor具有低漏電流，在額定交流電源線電壓下僅消耗毫瓦的功率。與SIDACtor串聯(lián)的保險(xiǎn)絲保護(hù)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(xiǎn)絲為電源電路提供傳統(tǒng)的過電流保護(hù)。串聯(lián)保險(xiǎn)絲放置在SIDACtor電路之后，以保護(hù)保險(xiǎn)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壓和過流保護(hù)。

　　圖3顯示了SIDACtor對交流線路瞬變的快速響應(yīng)。綠色曲線是電壓瞬變產(chǎn)生的高電流波形。藍(lán)線表示SIDACtor如何快速響應(yīng)短路導(dǎo)通，使電源達(dá)到安全的低電壓。

　　SIDACtor也可以與MOV結(jié)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(hù)（見圖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(hù)。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。對于必須滿足低功耗標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，在設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)或待機(jī)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浪涌保護(hù)的應(yīng)用。SIDACtor-MOV組合可保護(hù)逆變器驅(qū)動(dòng)電路免受差分高壓瞬變的影響。當(dāng)交流電源對零線具有相對較高的阻抗時(shí)，并聯(lián)MOV可防止零線到地線連接中的浪涌。對于由三相交流線路供電的逆變器，建議對三相交流線路的每相使用SIDACtor-MOV組合。這種保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也推薦用于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車以及光伏逆變器。

　　有許多不同的元件可提供針對高壓瞬變的保護(hù)級別。對于交流電源線保護(hù)，SIDACtor是市場上最具成本效益的元件。它具有低導(dǎo)通泄流電壓，對瞬態(tài)事件的快速響應(yīng)，壽命長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(xiǎn)絲結(jié)合使用以提供過流保護(hù)，可為產(chǎn)品的電源電路提供出色且簡單的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第05期第36頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）