交流電力線路保護的高性能解決方案

在我們所有應用領域中使用電子產品有助于提高對電能質量的認識。電子設備的廣泛使用引發(fā)了能源效率問題，尤其是涉及整個電網的干擾問題，對設備和儀器產生負面影響。新工業(yè) 4.0 中出現的智能技術需要不間斷和無故障的供應。電能質量擾動通常定義為電壓、電流或頻率的變化。這些干擾會干擾系統(tǒng)的正常運行，改變生產水平和整個活動。

交流電源線上的干擾會導致許多設備出現數據傳輸錯誤、電源損壞或屬于整個網絡的工業(yè)系統(tǒng)損壞等故障。瞬態(tài)、峰值和異常代表了電線的典型擾動。在設計適合工業(yè)應用的保護系統(tǒng)時，一定要考慮所有這些重要因素。針對各種電壓和電流值的保護解決方案代表了各種應用市場的巨大需求。

交流電源線上的干擾

IEEE 標準定義的電源干擾可以用瞬變、峰值/過壓、失真和頻率變化來表示。瞬態(tài)電壓是由于電源變化、閃電、感性負載切換、靜電放電等而可能發(fā)生的暫時電壓波動。這些瞬態(tài)的影響范圍從輕微到災難性不等。

瞬態(tài)是最具破壞性的電源干擾類型，分為兩個子類別：脈沖和振蕩。脈沖瞬變是高峰值事件，會在正或負方向上增加電壓和/或電流水平，主要是由于大氣中發(fā)生的放電。當涉及到脈沖瞬變時，兩種最可行的保護方法是消除潛在的靜電放電和使用瞬變電壓抑制裝置。另一方面，振蕩瞬態(tài)是電壓、電流或兩者的狀態(tài)的突然變化，它以系統(tǒng)的固有頻率振蕩。

峰值或過電壓是交流電壓的增加，可以持續(xù) 0.5 個周期到 1 分鐘。峰值的常見起源是高阻抗中性連接、突然（高）負載降低以及三相系統(tǒng)上的單相故障。過電壓代表導致電壓尖峰的長期問題的影響。過電壓可以被認為是一個延長的峰值。

扭曲以各種形式出現；諧波是基本正弦波在由基波倍數構成的頻率上的改變。例如，三次諧波的頻率為 150 Hz；這是 50 Hz 時基波的三倍。五次諧波的頻率為 250 Hz。該標準要求總諧波失真 THD（總諧波失真）不超過 8%，考慮到高達 40 次諧波的水平。間諧波是一種波形失真，通常是由靜態(tài)變頻器、感應電機和形成電弧的設備等電氣設備將信號引入電源電壓引起的。

電力系統(tǒng)網絡中很少發(fā)生頻率變化。在配備備用發(fā)電機或供電基礎設施較差的專用發(fā)電機的站點中，頻率變化更為常見，尤其是在發(fā)電機負載較高的情況下。歐洲 50Hz 頻率必須在供應年份的 95% 內保持在 ±1% 的容差范圍內，同時在任何時候都不得超過 4% 的增加或 6% 的減少。作為平均值，標準假定在 10 秒間隔內測量。

解決方案

過壓保護元件可分為兩種基本類型：Crowbar 型器件和鉗位元件，如 TVS、MOV 二極管。鉗位型組件具有更快的響應時間，但其電流處理能力有限，因為瞬態(tài)能量必須通過組件鉗位來耗散。Crowbar 型元件可以處理強過流，因為在它們的狀態(tài)條件下，元件兩端的電壓極低。在實踐中，它們充當某種短路，影響電流路徑，從而使其遠離組件的主要部分。

圖 1：TO-218 中的 Pxxx0MEL 系列。Pxxx0MEL為 50 / 60Hz 交流單周期正弦波浪涌事件提供 5000A 8/20 I PP（峰值脈沖電流額定值）和最小 400A I TSM。

Littelfuse SIDACtor? 晶閘管屬于 Crowbar 類型，并針對保護位于高度暴露于強過電壓瞬變環(huán)境中的設備進行了優(yōu)化。5 kA 和 Pxxx0FNL 3 kA Pxxx0MEL 系列具有多種優(yōu)勢。例如，鉗位優(yōu)于傳統(tǒng)的無源 MOV 技術來保護交流線路，可提供針對過壓的高電位保護。此外，降低的有效電壓保證了長期事件期間的低熱積累。這些 Crowbar 半導體器件可以承受更多的過壓事件，滿足最小的退化（圖 1 和圖 2）。Littelfuse Pxxx0FNL 和 Pxxx0MEL 系列還可以與 MOV 串聯，為因較高鉗位電壓而損壞的電路提供低鉗位保護（圖 3）。

圖 2：具有串聯過流保護的 P3800MEL Crowbar 解決方案。在經典的工作條件下，保護組件對電線是透明的。當感應電壓峰值高于 P3800MEL 的 Vdrm 時，就會過渡到低電阻狀態(tài)。保險絲保護 SIDACtor?。這種配置為設計人員提供了一個選項，用于增強專用于 SIDACtor? 的過電流保護。

圖 3：SIDACtor? 與 Littelfuse MOV V20E130P (AC 130V) 串聯連接，并帶有保險絲。

MOV的晶體結構由隨機取向的金屬氧化物顆粒構成，表現出PN結半導體的特性。在低電壓下工作的電路中，只有少量電流流過壓敏電阻，這是由通過結的反向色散引起的。當施加涉及整個系統(tǒng)保護條件的瞬態(tài)高壓，或超過壓敏電阻的擊穿電壓時，會在結點發(fā)生雪崩，壓敏電阻變成導體。壓敏電阻無法提供針對連續(xù)電壓升高的保護，即使電壓幅度明顯低于其設計的瞬態(tài)電壓。此外，壓敏電阻確實表現出磨損效應，在對其施加多次浪涌后它開始老化。

TVS 二極管的進步使這項技術成為金屬氧化物 (MOV) 壓敏電阻的有效替代品，可保護交流和直流電源免受過壓和間接雷擊。在 AC 和 DC 電力線應用中，這些器件不僅在重復過壓方面的可靠性更高，壽命更長，而且由于電纜的電感較低，它們使用表面貼裝封裝還提供了改進的過壓響應。為了保護 CAN-BUS 線路免受 ESD、EFT 和其他電壓瞬變造成的損壞，Littelfuse 創(chuàng)建了一系列用于工業(yè)自動化控制的 TVS 二極管陣列，符合 AEC-Q101 標準，可以安全地承受 3 A 峰值。低容量（典型值 11.5 pF）可保持信號完整性并最大程度地減少數據丟失。有時 ESD 事件會巧妙地損壞設備，讓它運行一小段時間。這稱為潛在缺陷，難以檢測并縮短設備的使用壽命。許多電子設備容易受到低壓 ESD 事件的影響。由于更高速度和更小尺寸的趨勢，ESD 問題在電子行業(yè)中呈上升趨勢?，F代世界越來越多地由小型微處理器處理，這些微處理器對最小的電力波動也很敏感。這些微處理器出色地控制了快速自動化機器人組裝過程和無法承受停機時間的包裝線系統(tǒng)。取決于應用市場的不同電壓/電流水平的保護解決方案成為設備正確運行的基礎，因為它們能夠限制或消除由電能質量干擾引起的問題。

參考

用于交流電源線的高功率半導體 Crowbar 保護器應用說明由 Littelfuse, Inc. 提供。

致謝

特別感謝高級技術營銷經理 Teddy To；Walt Tian，技術支持經理；以及 Littelfuse, Inc. 的高級技術支持工程師 Andy Xu，感謝他們的技術幫助和經驗。

審核編輯 黃昊宇