不受管理的浪涌電壓可能會導(dǎo)致系統(tǒng)中斷或損壞,甚至對用戶和操作員造成危險。浪涌保護裝置 (SPD),也稱為瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS),通常用于通過限制或阻斷能量來防止電壓浪涌和尖峰。SPD 可以在配電網(wǎng)絡(luò)、建筑物布線和電子系統(tǒng)中找到。IEC 61000-4-5 定義了電氣和電子設(shè)備的浪涌電壓要求。
過電壓浪涌有多種原因,會導(dǎo)致不同的波形(圖 1)。浪涌的可能來源多種多樣,包括系統(tǒng)中的熱插拔模塊;電力線路負荷變化大;長電纜或與其他系統(tǒng)并行運行的電纜可能會產(chǎn)生感應(yīng)電涌,并且;特殊的環(huán)境考慮因素,例如連接到車輛電池的汽車或卡車中的設(shè)備或可能被閃電擊中的具有挑戰(zhàn)性的室外位置的設(shè)備。
圖 1:浪涌波形示例和原因。
浪涌通常具有相似的上升時間和半長,無論其原因如何,從而簡化了浪涌建模過程。IEC 61000-4-5 定義了通過組合波發(fā)生器 (CWG) 施加的標(biāo)準(zhǔn)化浪涌。為了模擬典型系統(tǒng)中的布線和互連電阻,CWG 定義為 2Ω 輸出阻抗。
電流和電壓波形由 IEC 61000-4-5 定義(圖 2)。電流波形定義為短路狀態(tài),而電壓波形定義為開路狀態(tài)。電壓波形比電流波形長。開路電壓波形定義為上升時間為 1.2μs,半長為 50μs。短路電流波形定義為較長的 8μs 上升時間和更短的 20μs 半長。要獲得 2Ω 的有效阻抗,電壓波形幅度必須是電流波形幅度的兩倍。
圖 2:開路電壓(左)和短路電流(右)的 IEC 61000-4-5 波形。
浪涌保護裝置
常見的 SPD 包括金屬氧化物變阻器 (MOV)、氣體放電管 (GDT) 和硅雪崩二極管 (SAD) 或這些設(shè)備的組合。每種技術(shù)都提供一組不同的性能和權(quán)衡。
金屬氧化物變阻器(MOV) 是最常見的 SPD。MOV 是使用氧化鋅制成的,氧化鋅是一種具有可變電阻的半導(dǎo)體材料。在正常操作下,MOV 呈現(xiàn)高阻抗接地路徑,但當(dāng)受到電壓浪涌沖擊時,MOV 的電阻急劇下降并提供低阻抗接地。MOV 的使用壽命有限,并且在暴露于許多小瞬變或一些較大瞬變時會退化。
氣體放電管(GDT) 使用惰性氣體代替氧化鋅。在正常操作下,氣體是呈現(xiàn)高電阻的不良導(dǎo)體。但是當(dāng)電壓上升到足以使氣體電離時,它會呈現(xiàn)出一條低電阻路徑并將電涌轉(zhuǎn)移到地面。對于給定尺寸,GDT 可以傳導(dǎo)比其他 SPD 更大的電流。與 MOV 一樣,GDT 的預(yù)期壽命有限,可以承受一些非常大的瞬變或大量較小的瞬變。
硅雪崩二極管(SAD) 也可用于將浪涌能量轉(zhuǎn)移至地面,但與 MOV 或 GDT 相比,它們的電流容量較低。
電阻器、電容器和/或電感器可與 MOV、GDT 或 SAD 一起使用,以提供增強級別的保護。
電涌保護器規(guī)格
鉗位電壓,也稱為允通電壓,是導(dǎo)致 SPD 鉗位或短路的電壓。雖然較低的鉗位電壓可能會提供更好的保護,但它通常會縮短 SPD 的預(yù)期壽命。UL 1449 為 SPD 定義了幾種鉗位電壓。用于 120 VAC 應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)鉗位電壓為 330 V。其他常見的鉗位電壓為 400 和 500 V。
響應(yīng)時間衡量一旦達到鉗位電壓,SPD 啟動短路所需的時間。與 MOV 相比,GDT 的響應(yīng)速度較慢。然而,標(biāo)準(zhǔn)測試下的響應(yīng)時間不一定是比較各種 MOV 的有用衡量標(biāo)準(zhǔn)。所有 MOV 的響應(yīng)時間都在納秒范圍內(nèi),而標(biāo)準(zhǔn)測試波形浪涌持續(xù)數(shù)十微秒。GDT 速度較慢,但與 MOV 相比通常可以處理更大的浪涌。因此,這兩種類型的設(shè)備經(jīng)常一起使用。混合 SPD 可將 GDT 和 MOV 技術(shù)組合到一個組件中。
MOV 還具有焦耳 (J) 額定值,用于定義 MOV 在單個事件中可以吸收多少能量而不會發(fā)生故障。MOV 的額定值可以超過 1,000 J 和 40,000 A。但是,由于尖峰的實際持續(xù)時間僅為幾十微秒,因此實際耗散功率很低。
通過并聯(lián)多個 MOV 可以獲得更高的 J 額定值,但這種方法充滿挑戰(zhàn)。單個 MOV 是不完()美的器件,其電壓閾值和非線性響應(yīng)略有不同。組件中的某些 MOV 預(yù)計會比其他 MOV 更敏感,從而導(dǎo)致稱為電流暴漲的現(xiàn)象,其中更敏感的 MOV 傳導(dǎo)更多電流并更快開啟。因此,當(dāng)出現(xiàn)浪涌時,MOV 從最敏感的設(shè)備到最不敏感的設(shè)備依次打開。這種行為有兩個后果:最敏感的 MOV 會承受更大的壓力并且使用壽命更短。組件的實際 J 額定值低于單個 MOV J 額定值的總和。有效 J 額定值取決于 MOV 匹配,通常需要降額 20% 或更多。這些組件采用精心匹配的 MOV 組。匹配是根據(jù)制造商的規(guī)格進行的,但還不夠完()美。
最后,假設(shè) MOV 承受連續(xù)過壓條件而不是短時電壓浪涌。在這種情況下,它可能會進入熱失控狀態(tài),導(dǎo)致過熱、冒煙甚至起火。UL 1449 要求保護 MOV 免受熱失控。在大多數(shù)系統(tǒng)中,熱熔斷器或熱切斷 (TCO) 設(shè)備可保護 MOV 免受熱失控。
為了獲得最佳保護,多個帶有串聯(lián) TCO 器件的 MOV 并聯(lián)放置在三個導(dǎo)電對(LL、LG 和 NG)中的每一個上(圖 3)。此外,線路中放置了一個標(biāo)準(zhǔn)保險絲,以保護系統(tǒng)免受過流情況的影響。保險絲的額定電流通常高于 UL 1449 測試期間流經(jīng)電路的電流。混合器件可在單個封裝中組合 MOV 和熱熔斷器,從而減少組件數(shù)量并縮小解決方案尺寸。
圖 3:顯示保險絲和 TCO 位置的典型 MOV 應(yīng)用。
浪涌測試
輸入浪涌電壓測試測試方法在 IEC 61000-4-5 中有詳細說明,終端系統(tǒng)要求定義了限制。該測試使系統(tǒng)承受指()定輸入電壓之上的電壓尖峰。尖峰模擬可能由從閃電到大型電機驅(qū)動等各種來源引起的干擾。
系統(tǒng)的安裝等級決定了測試級別(圖 4)。大多數(shù)商用 AC/DC 電源都是 3 級安裝設(shè)備,并針對線路/中性線和地之間的 2kV 共模浪涌以及線路和中性線之間的 1kV 差模浪涌進行了測試。
圖 4:IEC EN 61000-4-5 浪涌測試等級。
此外,該測試基于從 A 到 C 的三級等級,指()定了系統(tǒng)對浪涌電壓所需的響應(yīng)。性能標(biāo)準(zhǔn) A 要求系統(tǒng)運行不會因測試而發(fā)生變化。為滿足標(biāo)準(zhǔn) B,系統(tǒng)在浪涌事件期間會經(jīng)歷一些操作或功能變化,但隨后會自動恢復(fù)。如果在浪涌事件后需要用戶干預(yù)來恢復(fù)系統(tǒng)運行,則系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn) C。如果浪涌損壞系統(tǒng),則無法通過測試。
IEC61000-4-5 中詳細說明了電壓尖峰如何發(fā)生、發(fā)生位置、需要的電壓電平和波形、尖峰頻率以及尖峰之間的持續(xù)時間。但該標(biāo)準(zhǔn)并未詳細說明如何確定性能標(biāo)準(zhǔn)級別是 A、B 還是 C。該決定取決于設(shè)備制造商。
概括
如果不受交流線路浪涌和電壓尖峰的保護,系統(tǒng)可能會遭受損壞。各種 SPD 技術(shù)使設(shè)計人員能夠針對特定應(yīng)用要求優(yōu)化電涌保護網(wǎng)絡(luò)。在某些情況下,多種 SPD 技術(shù)(例如 MOV、GDT 和 SAD)組合用于混合解決方案。按照 UL 1449 的規(guī)定,MOV 通常與 TCO 器件結(jié)合使用以保護熱失控。IEC 61000-4-5 規(guī)定了通用輸入浪涌電壓測試方法,包括多次浪涌測試和系統(tǒng)分類性能級別。
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