氣體放電管在開關變換器中的應用

周 巖，楊長業(yè)

(1.南京郵電大學自動化學院，江蘇 南京 210006;2.解放軍理工大學氣象學院，江蘇 南京 211101）

氣體放電管在開關變換器中的應用

周 巖1，楊長業(yè)2

(1.南京郵電大學自動化學院，江蘇 南京 210006;2.解放軍理工大學氣象學院，江蘇 南京 211101）

氣體放電管廣泛應用于直流開關變換器的浪涌電壓抑制中，本文分析了氣體放電管的原理和工作特性，并結合工作特點指出了其在電路中的選擇和設計要點，實驗波形驗證了分析的正確性。

氣體放電管;浪涌電壓;開關變換器;抗浪涌

1 引言

為了避免雷電、線路故障等原因產生的浪涌電壓損害開關電源或干擾后級的電子設備，需要將浪涌電壓控制在一定的范圍內。一般的設計思路是為浪涌電壓提供瞬間浪涌回路，在非常短的時間內使浪涌電流分流到浪涌產生的源端，達到削弱過電壓的目的，從而使后級電子設備可靠工作。常用的器件有氣體或固體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管等器件以及它們的組合設計。

放電管(GDT）主要可分為氣體放電管和固體放電管兩大類。氣體放電管的放電介質一般為惰性氣體，具有通流能力強的優(yōu)點，其失效模式為斷路。固體放電管的放電介質為硅PN結，是基于可控硅的原理和結構的一種二端負阻器件，具有響應快、抑制電壓效果好的優(yōu)點。但是其通流能力相對較低，且失效模式為短路，在很多場合和地區(qū)限制使用。

本文以直流開關變換器設計為例，重點分析了氣體放電管的工作原理和選型原則，提出了氣體放電管在開關變換器中的設計誤區(qū)與應用要點。

2 原理與設計

2.1 氣體放電管的工作原理

氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內部由兩個以上的帶間隙的金屬電極，充以惰性氣體構成，是利用氣體放電理論的離子器件。當加在管子兩端的電壓達到或超過其擊穿電壓時，氣體放電管可近似認為一個變阻抗器件，由高阻抗迅速變?yōu)榈妥杩範顟B(tài)，從而為干擾源提供泄放浪涌電流通路［1-2］。

如圖1所示，氣體放電管的電壓擊穿工作可主要分為三個過程［3］:

(1）擊穿(湯森）放電電壓過程

當加在氣體放電管兩端的浪涌電壓超過擊穿放電電壓時，放電管內部惰性氣體被電離(即達到湯森自持放電條件），放電管開始放電，此時流過氣體放電管的電離電流較小。氣體放電管的擊穿放電電壓分為兩種類型:直流擊穿放電電壓和脈沖擊穿放電電壓。通常，直流穩(wěn)態(tài)擊穿放電電壓幅值小于脈沖擊穿放電電壓幅值。對于上升速率越快的電壓脈沖，氣體放電管的響應能力相對變差，脈沖擊穿放電電壓幅值越高。

(2）輝光電壓過程

當浪涌電壓持續(xù)時，氣體放電管兩端的壓降迅速下降至輝光放電電壓，管內電流開始明顯升高。如圖1所示，輝光電壓的幅值遠小于擊穿放電電壓，氣體放電管的阻抗明顯降低，但流過的浪涌電流依然很小。

(3）弧光電壓過程

當氣體放電管中流過的放電電流進一步增大時，放電管便進入弧光放電階段。放電管從輝光電壓到弧光放電電壓的過渡電流很小，在數安培之內，依據不同廠家產品而定。此時氣體放電管兩端的電壓達到最小值，處于導通狀態(tài)，且弧光電壓在額定的電流變化范圍內保持近似穩(wěn)定。

圖1 氣體放電管電壓-電流放電曲線Fig.1 Discharge V-A curve of GDT

當浪涌電壓干擾消退時，由于流過氣體放電管的電流不斷降低，氣體放電管的工作狀態(tài)和前述的放電過程相反，弧光放電將過渡輝光放電狀態(tài)，最后結束整個放電狀態(tài)(熄弧）。從以上分析的氣體放電管工作過程可知，其流過的電流幅值與兩端工作電壓、持續(xù)時間有關，因此其電流函數關系式可表示為:

2.2 氣體放電管的選型要點

為使氣體放電管可靠的工作，可按以下幾個主要因素選擇具體型號:

(1）確定直流穩(wěn)態(tài)電壓

氣體放電管使直流擊穿放電電壓具有很大的誤差范圍，因此需要保證直流擊穿放電電壓最低值高于開關變換器的最大輸入電壓，并留有一定的裕量。如此才能保證在正常工作時氣體放電管不被誤導通。

(2）確定流過的浪涌電流強度

按照 IEC61000-4-5、IEC60950-1等相關的浪涌電壓、安規(guī)標準，應對開關變換器的不同輸入線間各打5次的組合浪涌電壓。同時，不同的客戶對產品所需承受的浪涌電壓次數也有不同要求。氣體放電管可靠工作所能承受的浪涌電流強度與浪涌電壓打擊次數直接相關，次數越高電流耐受能力越低。

同時需要確定模擬的浪涌電壓峰值、持續(xù)時間、內阻等指標，以此確定流過氣體放電管的最大峰值電流。在開關變換器中，氣體放電管一般與壓敏電阻或穩(wěn)壓管組合串聯(lián)使用。最大峰值電流為

其中，Vsource為浪涌電壓的峰值電壓;rsource為浪涌電壓的內阻值;Vclamp為壓敏電阻或穩(wěn)壓管的鉗位工作電壓;Vp為氣體二極管短路工作時的弧光電壓。

(3）選擇寄生電容和絕緣阻抗

氣體放電管的規(guī)格書中一般會給出在1MHz測試條件下的寄生電容，寄生電容越小，氣體放電管對浪涌電壓的響應越快。同時，陶瓷氣體放電管的絕緣阻抗要比玻璃氣體放電管的絕緣阻抗大一個數量級，因此在相同條件下，陶瓷氣體放電管對浪涌電壓具有更快的響應速度。

2.3 氣體放電管在開關變換器中的設計應用

需要重點提出的是，和用于信號傳輸的通信端口直接在線兩端接氣體放電管不同，應用于開關變換器輸入端口的氣體放電管不能單獨直接接在不同線端之間，如圖2所示。在正常使用時，由于氣體放電管的直流擊穿電壓高于輸入電壓，氣體放電管處于斷路狀態(tài)。但當輸入電壓端口出現(xiàn)浪涌電壓高于擊穿放電電壓時，氣體放電管將會始終處于短路狀態(tài)，如圖1所示，因此直接在輸入電壓端口加氣體放電管是不允許的。

圖2 開關變換器中GDT的錯誤用法Fig.2 Wrong application of GDT in power supply

與高輸入電壓需要增加氣體放電管的安規(guī)要求不同，工作在低輸入安全電壓范圍內的直流開關變換器可以直接在大地和輸入端口線間直接使用壓敏電阻等抗浪涌器件。但由于氣體放電管的失效模式為斷路，可保護壓敏電阻失效后產生的自燃自爆等現(xiàn)象。如圖3所示，一般將壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)應用。在這個支路中，氣體放電管將起一個開關作用，在正常工作時壓敏電阻中幾乎無泄漏電流，提高了壓敏電阻工作的可靠性。

圖3 GDT與壓敏電阻構成的抗浪涌電路Fig.3 Surge suppress circuit

當浪涌電壓產生時，瞬間的高壓將會導致前級EMI共模電感工作在飽和狀態(tài)，導致漏感與電容諧振產生較強的諧振電壓和諧振電流，將會對后級電路產生嚴重影響，嚴重時可燒毀功率器件和各類IC芯片。因此可以在共模電感一側并聯(lián)氣體放電管，利用氣體放電管的短路特性來抑制其諧振特性，可有效降低諧振電壓尖峰，如圖4所示。

圖4 利用GDT的特性抑制諧振電壓Fig.4 Using GDT to avoid resonant waveform

3 實驗

為了分析氣體放電管對浪涌電壓的抑制效果，分別驗證了壓敏電阻、壓敏電阻串聯(lián)陶瓷氣體放電管、壓敏電阻串聯(lián)玻璃氣體放電管不同組合對浪涌電壓的動態(tài)響應特性。浪涌電壓的規(guī)格為開路電壓為 1.2 /50μs、2000Vmax，短 路 電 流 為 8/20μs、167Amax，12Ω內阻的組合波。選用的陶瓷氣體放電管為 EPCOS公司的 S30-A150X［4］，其寄生電容 ＜1pF，阻抗＞1GΩ。;選用的玻璃氣體放電管為三菱公司的 DSP-141N［5］，其直流擊穿放電電壓為140V，其寄生電容 ＜1pF，阻抗 ＞100MΩ。壓敏電阻選用的是EPCOS公司的 S10K50，其額定標注的鉗位開始工作直流電壓為65V。

圖5為浪涌電壓直接加在壓敏電阻兩端時的瞬態(tài)電壓試驗波形。從圖中可以看出浪涌電壓從2000V被有效鉗位在絕對值為138V左右，因此壓敏電阻可有效地抑制浪涌電壓。

圖5 壓敏電阻鉗位浪涌電壓Fig.5 Surge waveform suppressed directly by VDR

圖6為浪涌電壓加在壓敏電阻串聯(lián)玻璃氣體放電管兩端時的瞬態(tài)電壓試驗波形。由圖中可以看出玻璃氣體放電管的加入降低了壓敏電阻對浪涌電壓的抑制能力。在浪涌電壓出現(xiàn)瞬間，由于玻璃氣體放電管的脈沖擊穿放電電壓數值較高，整個抑制電路回路處于斷路狀態(tài)，因此在浪涌電壓初期產生一個明顯的脈沖電壓尖峰，高達680V。但當玻璃氣體放電管進入弧光電壓工作時，電壓抑制波形和單獨使用壓敏電阻的效果類似，在原有壓敏電阻電壓鉗位的基礎上疊加很低的弧光電壓。

圖6 壓敏電阻串聯(lián)玻璃GDT鉗位浪涌電壓Fig.6 Surge waveform suppressed by VDR in series with glass GDT

圖7為浪涌電壓加在壓敏電阻串聯(lián)陶瓷氣體放電管兩端時的瞬態(tài)電壓試驗波形。與圖6的玻璃氣體放電管串聯(lián)壓敏電阻的鉗位效果比較，由于陶瓷氣體放電管的絕緣阻抗比玻璃氣體放電管絕緣阻抗高一個數量級，在浪涌電壓出現(xiàn)瞬間并未出現(xiàn)脈沖電壓尖峰，在輸入電壓設定為50V的條件下，也僅有168V的瞬間尖峰。雖然相對于直接使用壓敏電阻的效果相比反向電壓高了約60V，但考慮到引入氣體放電管帶來的諸多優(yōu)點，這種組合對抑制浪涌電壓的能力相對最優(yōu)。

圖7 壓敏電阻串聯(lián)陶瓷GDT鉗位浪涌電壓Fig.7 Surge waveform suppressed by VDR in series with ceramics GDT

4 結論

氣體放電管廣泛應用于開關變換器的抗浪涌設計中，深入理解氣體放電管的工作特性十分必要。本文對氣體放電管的工作原理和使用要點做了詳細分析，同時對其常見的使用誤區(qū)做了簡要介紹。最后，對壓敏電阻、壓敏電阻串聯(lián)陶瓷氣體放電管、壓敏電阻串聯(lián)玻璃氣體放電管等分別做了實驗性能對比，實驗驗證了理論分析的正確性。

References）:

［1］薛紅兵，段平，張廣春 (Xue Hongbing，Duan Ping，Zhang Guangchun）.氣體放電管在浪涌抑制電路的應用(The application of gas tube for surge protected circuit）［J］.電源技術應用 (Power Supply Technologies and Applications），2002，5(8）:47-49.

［2］周衛(wèi)娟，張世定 (Zhou Weijuan，Zhang Shiding）.氣體放電管性能的研究與改善 (The research and improvement for performance of the gas discharge tube）［J］.電子器件 (Chinese Journal of Electron Devices），1998，21(2）:124-130.

［3］陳超中，施曉紅，於立成，等 (Chen Chaozhong，Shi Xiaohong，Yu Licheng，et al.）.LED 路燈防浪涌干擾設計中的絕緣耐壓問題解析 (Analysis on the electric strength problem in the surges protection design for LED road luminaires）［J］.中國照明電器 (China Light＆Lighting），2010，(7）:10-16.

［4］EPCOS Company.Surge arrester［EB/OL］.［2007-10-09］.http://www.epcos.com/inf/100/ds/s30_a150x_x6071.pdf

［5］Mitsubishi Company.DSP series GDT［EB/OL］.［2004-01-01］.http://www.mmc.co.jp/adv/dev/chinese/index.html

Applications of gas discharge tube for switching mode power supply

ZHOU Yan1，YANG Chang-ye2
(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210006，China;2.Institute of Meteorology，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

The gas discharge tube(GDT）is often used for surge voltage suppression in switching mode power supply.This paper introduces some basic GDT's characteristics at first，such as DC spark over voltage，impulse spark over voltage，discharge current curve when the GDT is applied with different voltages，the technological requirements and the technical standards.The paper chiefly discusses two configurations for the common-mode surge voltage suppress circuit:voltage dependence resister in series with glass GDT and voltage dependence resister in series with ceramics GDT.According to the GDT working characteristics，the different types of GDTs will show different surge voltage suppression performances.Compared with the glass GDT，the ceramics GDT shows a faster response to a defined impulse surge voltage.Finally，the paper summarizes the performance of GDTs for surge voltage suppress in switching mode power supply，and gives some conclusions for selecting and using GDT.The experiment results verify the theoretical analysis.

gas discharge tube(GDT）;surge voltage;switching mode power supply;surge suppression

TN 86;TM46

A

1003-3076(2012）04-0088-04

2011-09-27

南京郵電大學?？蒲谢鹳Y助項目(NY211019）

周 巖 (1980-），男，江蘇籍，講師，博士，研究方向為功率變換器及其控制，EMI設計及浪涌防護，無線電能傳輸。