在我們所有應(yīng)用領(lǐng)域中使用電子產(chǎn)品有助于提高對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)識(shí)。電子設(shè)備的廣泛使用引發(fā)了能源效率問(wèn)題，尤其是涉及整個(gè)電網(wǎng)的干擾問(wèn)題，對(duì)設(shè)備和儀器產(chǎn)生負(fù)面影響。新工業(yè) 4.0 中出現(xiàn)的智能技術(shù)需要不間斷和無(wú)故障的供應(yīng)。電能質(zhì)量擾動(dòng)通常定義為電壓、電流或頻率的變化。這些干擾會(huì)干擾系統(tǒng)的正常運(yùn)行，改變生產(chǎn)水平和整個(gè)活動(dòng)。

交流電源線上的干擾會(huì)導(dǎo)致許多設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤、電源損壞或?qū)儆谡麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)。在設(shè)計(jì)適合工業(yè)應(yīng)用的保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，一定要考慮所有這些重要因素。針對(duì)各種電壓和電流值的保護(hù)解決方案代表了各種應(yīng)用市場(chǎng)的巨大需求。

交流電源線上的干擾

IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義的電源干擾可以用瞬變、峰值/過(guò)壓、失真和頻率變化來(lái)表示。瞬態(tài)電壓是由于電源變化、閃電、感性負(fù)載切換、靜電放電等而可能發(fā)生的暫時(shí)電壓波動(dòng)。這些瞬態(tài)的影響范圍從輕微到災(zāi)難性不等。

瞬態(tài)是最具破壞性的電源干擾類型，分為兩個(gè)子類別：脈沖和振蕩。脈沖瞬變是高峰值事件，會(huì)在正或負(fù)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(dāng)涉及到脈沖瞬變時(shí)，兩種最可行的保護(hù)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(guò)電壓是交流電壓的增加，可以持續(xù) 0.5 個(gè)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(fù)載降低以及三相系統(tǒng)上的單相故障。過(guò)電壓代表導(dǎo)致電壓尖峰的長(zhǎng)期問(wèn)題的影響。過(guò)電壓可以被認(rèn)為是一個(gè)延長(zhǎng)的峰值。

扭曲以各種形式出現(xiàn)；諧波是基本正弦波在由基波倍數(shù)構(gòu)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(shí)基波的三倍。五次諧波的頻率為 250 Hz。該標(biāo)準(zhǔn)要求總諧波失真 THD（總諧波失真）不超過(guò) 8%，考慮到高達(dá) 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(yīng)電機(jī)和形成電弧的設(shè)備等電氣設(shè)備將信號(hào)引入電源電壓引起的。

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中很少發(fā)生頻率變化。在配備備用發(fā)電機(jī)或供電基礎(chǔ)設(shè)施較差的專用發(fā)電機(jī)的站點(diǎn)中，頻率變化更為常見，尤其是在發(fā)電機(jī)負(fù)載較高的情況下。歐洲 50Hz 頻率必須在供應(yīng)年份的 95% 內(nèi)保持在 ±1% 的容差范圍內(nèi)，同時(shí)在任何時(shí)候都不得超過(guò) 4% 的增加或 6% 的減少。作為平均值，標(biāo)準(zhǔn)假定在 10 秒間隔內(nèi)測(cè)量。

解決方案

過(guò)壓保護(hù)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(yīng)時(shí)間，但其電流處理能力有限，因?yàn)樗矐B(tài)能量必須通過(guò)組件鉗位來(lái)耗散。Crowbar 型元件可以處理強(qiáng)過(guò)流，因?yàn)樵谒鼈兊臓顟B(tài)條件下，元件兩端的電壓極低。在實(shí)踐中，它們充當(dāng)某種短路，影響電流路徑，從而使其遠(yuǎn)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(duì)保護(hù)位于高度暴露于強(qiáng)過(guò)電壓瞬變環(huán)境中的設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化。5 kA 和 Pxxx0FNL 3 kA Pxxx0MEL 系列具有多種優(yōu)勢(shì)。例如，鉗位優(yōu)于傳統(tǒng)的無(wú)源 MOV 技術(shù)來(lái)保護(hù)交流線路，可提供針對(duì)過(guò)壓的高電位保護(hù)。此外，降低的有效電壓保證了長(zhǎng)期事件期間的低熱積累。這些 Crowbar 半導(dǎo)體器件可以承受更多的過(guò)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(lián)，為因較高鉗位電壓而損壞的電路提供低鉗位保護(hù)（圖 3）。

圖 2：具有串聯(lián)過(guò)流保護(hù)的 P3800MEL Crowbar 解決方案。在經(jīng)典的工作條件下，保護(hù)組件對(duì)電線是透明的。當(dāng)感應(yīng)電壓峰值高于 P3800MEL 的 Vdrm 時(shí)，就會(huì)過(guò)渡到低電阻狀態(tài)。保險(xiǎn)絲保護(hù) SIDACtor?。這種配置為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)選項(xiàng)，用于增強(qiáng)專用于 SIDACtor? 的過(guò)電流保護(hù)。

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

MOV的晶體結(jié)構(gòu)由隨機(jī)取向的金屬氧化物顆粒構(gòu)成，表現(xiàn)出PN結(jié)半導(dǎo)體的特性。在低電壓下工作的電路中，只有少量電流流過(guò)壓敏電阻，這是由通過(guò)結(jié)的反向色散引起的。當(dāng)施加涉及整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)條件的瞬態(tài)高壓，或超過(guò)壓敏電阻的擊穿電壓時(shí)，會(huì)在結(jié)點(diǎn)發(fā)生雪崩，壓敏電阻變成導(dǎo)體。壓敏電阻無(wú)法提供針對(duì)連續(xù)電壓升高的保護(hù)，即使電壓幅度明顯低于其設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電壓。此外，壓敏電阻確實(shí)表現(xiàn)出磨損效應(yīng)，在對(duì)其施加多次浪涌后它開始老化。

TVS 二極管的進(jìn)步使這項(xiàng)技術(shù)成為金屬氧化物 (MOV) 壓敏電阻的有效替代品，可保護(hù)交流和直流電源免受過(guò)壓和間接雷擊。在 AC 和 DC 電力線應(yīng)用中，這些器件不僅在重復(fù)過(guò)壓方面的可靠性更高，壽命更長(zhǎng)，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(jìn)的過(guò)壓響應(yīng)。為了保護(hù) CAN-BUS 線路免受 ESD、EFT 和其他電壓瞬變?cè)斐傻膿p壞，Littelfuse 創(chuàng)建了一系列用于工業(yè)自動(dòng)化控制的 TVS 二極管陣列，符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)完整性并最大程度地減少數(shù)據(jù)丟失。有時(shí) ESD 事件會(huì)巧妙地?fù)p壞設(shè)備，讓它運(yùn)行一小段時(shí)間。這稱為潛在缺陷，難以檢測(cè)并縮短設(shè)備的使用壽命。許多電子設(shè)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(shì)，ESD 問(wèn)題在電子行業(yè)中呈上升趨勢(shì)?，F(xiàn)代世界越來(lái)越多地由小型微處理器處理，這些微處理器對(duì)最小的電力波動(dòng)也很敏感。這些微處理器出色地控制了快速自動(dòng)化機(jī)器人組裝過(guò)程和無(wú)法承受停機(jī)時(shí)間的包裝線系統(tǒng)。取決于應(yīng)用市場(chǎng)的不同電壓/電流水平的保護(hù)解決方案成為設(shè)備正確運(yùn)行的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈兡軌蛳拗苹蛳呻娔苜|(zhì)量干擾引起的問(wèn)題。

參考

用于交流電源線的高功率半導(dǎo)體 Crowbar 保護(hù)器應(yīng)用說(shuō)明由 Littelfuse, Inc. 提供。

致謝

特別感謝高級(jí)技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理 Teddy To；Walt Tian，技術(shù)支持經(jīng)理；以及 Littelfuse, Inc. 的高級(jí)技術(shù)支持工程師 Andy Xu，感謝他們的技術(shù)幫助和經(jīng)驗(yàn)。

審核編輯 黃昊宇