浪涌電壓抑制器及其應(yīng)用

浪涌電壓抑制器及其應(yīng)用

1浪涌電壓

電路在遭雷擊和在接通、斷開(kāi)電感負(fù)載或大型負(fù)載時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生很高的操作過(guò)電壓，這種瞬時(shí)過(guò)電壓（或過(guò)電流）稱(chēng)為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾：例如直流6V繼電器線(xiàn)圈斷開(kāi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)300V～600V的浪涌電壓；接通白熾燈時(shí)會(huì)出現(xiàn)8～10倍額定電流的浪涌電流；當(dāng)接通大型容性負(fù)載如補(bǔ)償電容器組時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)大的浪涌電流沖擊，使得電源電壓突然降低；當(dāng)切斷空載變壓器時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高達(dá)額定電壓8～10倍的操作過(guò)電壓。浪涌電壓現(xiàn)象日趨嚴(yán)重地危及自動(dòng)化設(shè)備安全工作，消除浪涌噪聲干擾、防止浪涌損害一直是關(guān)系到自動(dòng)化設(shè)備安全可靠運(yùn)行的核心問(wèn)題?，F(xiàn)代電子設(shè)備集成化程度在不斷提高，但是它們的抗御浪涌電壓能力卻在下降。在多數(shù)情況下，浪涌電壓會(huì)損壞電路及其部件，其損壞程度與元器件的耐壓強(qiáng)度密切相關(guān)，并且與電路中可以轉(zhuǎn)換的能量相關(guān)。

為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動(dòng)化設(shè)備，必須使出現(xiàn)這種浪涌電壓的導(dǎo)體在非常短的時(shí)間內(nèi)同電位均衡系統(tǒng)短接（引入大地）。在其放電過(guò)程中，放電電流可以高達(dá)幾千安，與此同時(shí)，人們往往期待保護(hù)單元在放電電流很大時(shí)也能將輸出電壓限定在盡可能低的數(shù)值上。因此，空氣火花間隙、充氣式過(guò)電壓放電器、壓敏電阻、雪崩二極管、TVS（Transientvoltagesuppressor）、FLASHTRAB、VALETRAB、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件，是單獨(dú)或以組合電路形式被應(yīng)用到被保護(hù)電路中，因?yàn)槊總€(gè)元器件有其各自不同的特性，并且具有不同的性能：放電能力；響應(yīng)特性；滅弧性能；限壓精度。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合以及設(shè)備對(duì)浪涌電壓保護(hù)的要求，可根據(jù)各類(lèi)產(chǎn)品的特性來(lái)組合出符合應(yīng)用要求的過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)。

2浪涌電壓吸收器

浪涌噪聲常用浪涌吸收器進(jìn)行抑制，常用的浪涌吸收器有：

（1）氧化鋅壓敏電阻

氧化鋅壓敏電阻是以氧化鋅為主體材料制成的壓敏電阻，其電壓非線(xiàn)性系數(shù)高，容量大、殘壓低、漏電流小、無(wú)續(xù)流、伏安特性對(duì)稱(chēng)、電壓范圍寬、響應(yīng)速度快、電壓溫度系數(shù)小，且具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛使用的浪涌電壓保護(hù)器件。適用于交流電源電壓的浪涌吸收、各種線(xiàn)圈、接點(diǎn)間浪涌電壓吸收及滅弧，三極管、晶閘管等電力電子器件的浪涌電壓保護(hù)。

（2）R、C、D組合浪涌吸收器

R、C、D組合浪涌吸收器比較適用于直流電路，可根據(jù)電路的特性對(duì)器件進(jìn)行不同的組合，如圖1（a）適用于高電平直流控制系統(tǒng)，而圖1（b）中采用齊納穩(wěn)壓管或雙向二極管，適用于正反向需要保護(hù)的電路。

圖1R、C、D浪涌保護(hù)器

(a)單向保護(hù)(b)雙向保護(hù)

圖2TVS電壓（電流）時(shí)間特性

（3）瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）

當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以10－12s級(jí)的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達(dá)數(shù)kW的浪涌功率，使兩極的電位箝位于預(yù)定值，有效地保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備等領(lǐng)域。

①TVS的特性

其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流－時(shí)間和電壓－時(shí)間曲線(xiàn)。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓Vbr而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過(guò)TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的過(guò)程。

②TVS與壓敏電阻的比較

目前，國(guó)內(nèi)不少需要進(jìn)行浪涌保護(hù)的設(shè)備上應(yīng)用壓敏電阻較為普遍，TVS與壓敏電阻性能比較如表1所示：

表1TVS與壓敏電阻的比較

3.1三級(jí)保護(hù)

自動(dòng)控制系統(tǒng)所需的浪涌保護(hù)應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行綜合考慮，針對(duì)自動(dòng)控制裝置的特性，應(yīng)用于該系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器基本上可以分為三級(jí)，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的供電設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要雷擊電流放電器、過(guò)壓放電器以及終端設(shè)備保護(hù)器。數(shù)據(jù)通信和測(cè)控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統(tǒng)電路顯然要靈敏得多，所以必須對(duì)數(shù)據(jù)接口電路進(jìn)行細(xì)保護(hù)。

自動(dòng)化裝置的供電設(shè)備的第一級(jí)保護(hù)采用的是雷擊電流放電器，它們不是安裝在建筑物的進(jìn)口處，就是在總配電箱里。為保證后續(xù)設(shè)備不承受太高的殘壓，必須根據(jù)被保護(hù)范圍的性質(zhì)，在下級(jí)配電設(shè)施中安裝過(guò)電壓放電器，作為二級(jí)保護(hù)措施。第三級(jí)保護(hù)是為了保護(hù)儀器設(shè)備，采取的方法是，把過(guò)電壓放電器直接安裝在儀器的前端。自動(dòng)控制系統(tǒng)三級(jí)保護(hù)布置如圖3所示。在不同等級(jí)的放電器之間，必須遵守導(dǎo)線(xiàn)的最小長(zhǎng)度規(guī)定。供電系統(tǒng)中雷擊電流放電器與過(guò)壓放電器之間的距離不得小于10m，過(guò)壓放電器同儀器設(shè)備保護(hù)裝置之間的導(dǎo)線(xiàn)距離則不應(yīng)小于5m。

3.2三級(jí)保護(hù)器件

（1）充有惰性氣體的過(guò)電壓放電器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一級(jí)浪涌保護(hù)器件。充有惰性氣體過(guò)電壓放電器，一般構(gòu)造的這類(lèi)放電器可以排放20kA（8/20μs）或者2.5kA（10/350μs）以?xún)?nèi)的瞬變電流。氣體放電器的響應(yīng)時(shí)間處于ns范圍，被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信范疇。該器件的一個(gè)缺點(diǎn)是它的觸發(fā)特性與時(shí)間相關(guān)，其上升時(shí)間的瞬變量同觸發(fā)特性曲線(xiàn)在幾乎與時(shí)間軸平行的范圍里相交。因此保護(hù)電平將同氣體放電器額定電壓相近。而特別快的瞬變量將同觸發(fā)曲線(xiàn)在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點(diǎn)相交，也就是說(shuō)，如果某個(gè)氣體放電器的最小額定電壓90V，那么線(xiàn)路中的殘壓可高達(dá)900V。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是可能會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流。在氣體放電器被觸發(fā)的情況下，尤其是在阻抗低、電壓超過(guò)24V的電路中會(huì)出現(xiàn)下列情況：即原來(lái)希望維持幾個(gè)ms的短路狀態(tài)，會(huì)因?yàn)樵摎怏w放電器繼續(xù)保持下去，由此引起的后果可能是該放電器在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)爆碎。所以在應(yīng)用氣體放電器的過(guò)電壓保護(hù)電路中應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)熔斷器，使得這種電路中的電流很快地被中斷。

圖3放電器分布圖

（2）壓敏電阻被廣泛作為系統(tǒng)中的二級(jí)保護(hù)器件，因壓敏電阻在ns時(shí)間范圍內(nèi)具有更快的響應(yīng)時(shí)間，不會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流的問(wèn)題。在測(cè)控設(shè)備的保護(hù)電路中，壓敏電阻可用于放電電流為2.5kA～5kA（8/20μs）的中級(jí)保護(hù)裝置。壓敏電阻的缺點(diǎn)是老化和較高的電容問(wèn)題，老化是指壓敏電阻中二極管的P?N部分，在通常過(guò)載情況下，P?N結(jié)會(huì)造成短路，其漏電流將因此而增大，其值的大小取決于承載的頻繁程度。其應(yīng)用于靈敏的測(cè)量電路中將造成測(cè)量失真，并且器件易發(fā)熱。壓敏電阻大電容問(wèn)題使它在許多場(chǎng)合不能應(yīng)用于高頻信息傳輸線(xiàn)路，這些電容將同導(dǎo)線(xiàn)的電感一起形成低通環(huán)節(jié)，從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻尼作用。不過(guò)，在30kHz以下的頻率范圍內(nèi)，這一阻尼作用是可以忽略的。

（3）抑制二極管一般用于高靈敏的電子電路，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)ps級(jí)，而器件的限壓值可達(dá)額定電壓的1.8倍。其主要缺點(diǎn)是電流負(fù)荷能力很弱、電容相對(duì)較高，器件自身的電容隨著器件額定電壓變化，即器件額定電壓越低，電容則越大，這個(gè)電容也會(huì)同相連的導(dǎo)線(xiàn)中的電感構(gòu)成低通環(huán)節(jié)，而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生阻尼作用，阻尼程度與電路中的信號(hào)頻率相關(guān)。