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(xiǎn)。浪涌保護(hù)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(fù)荷變化大；長電纜或與其他系統(tǒng)并行運(yùn)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(shí)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(shí)間為 1.2μs，半長為 50μs。短路電流波形定義為較長的 8μs 上升時(shí)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(hù)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(qiáng)級別的保護(hù)。

電涌保護(hù)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(hù)，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(shí)間衡量一旦達(dá)到鉗位電壓，SPD 啟動短路所需的時(shí)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(shí)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(shí)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?？梢蕴幚砀蟮睦擞?。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(shí)際持續(xù)時(shí)間僅為幾十微秒，因此實(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)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(jìn)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(shí)電壓浪涌。在這種情況下，它可能會進(jìn)入熱失控狀態(tài)，導(dǎo)致過熱、冒煙甚至起火。UL 1449 要求保護(hù) 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(hù) MOV 免受熱失控。

為了獲得最佳保護(hù)，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(xiǎn)絲，以保護(hù)系統(tǒng)免受過流情況的影響。保險(xiǎn)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(xiǎn)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(xì)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(jī)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(xì)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(shí)間。但該標(biāo)準(zhǔn)并未詳細(xì)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。

總結(jié)

如果不受交流線路浪涌和電壓尖峰的保護(hù)，系統(tǒng)可能會遭受損壞。各種 SPD 技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠針對特定應(yīng)用要求優(yōu)化電涌保護(hù)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(hù)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。

審核編輯：湯梓紅