使用泄流型保護晶閘管避免現場故障

Teddy To　Walt Tian　Andy Xu

摘要：確保產品滿足電源線瞬變的可靠性是設計的關鍵之一，這在產品設計過程中通常不會引起適當的關注。雖然由于高壓瞬變而導致的產品故障是外部事件，但該故障是由于設計不足以保護產品的內部電路而引起的。因此，電源線浪涌保護是確保堅固耐用的交流電源設備必不可少的要素。本文介紹了使用泄流型保護晶閘管來避免現場故障的解決方案。

關鍵詞：泄流型;保護晶閘管;現場故障

對于制造商來說，產品在現場的故障都是昂貴的，并且會讓客戶感覺質量很差。

SIDACtor I-V曲線如圖1，它是一種具有關閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)的雙極型器件。VDRM是最大截止狀態(tài)電壓。在那種狀態(tài)下，最大電流IDRM是截止狀態(tài)漏電流。當器件兩端的電壓達到擊穿電壓Vs時，器件切換到導通狀態(tài)，并導通大電流。SIDACtor將IH（保持電流）保持在低電壓VT（保持電壓）上。由于VT較低，SIDACtor在滿足功率要求時可以保持較大的電流。

確保產品滿足電源線瞬變的可靠性是設計的一個關鍵方面，這在產品設計過程中通常不會引起適當的關注。雖然由于高壓瞬變而導致的產品故障是外部事件，但該故障是由于設計不足以保護產品的內部電路而引起的。因此，電源線浪涌保護是確保堅固耐用的交流電源設備必不可少的要素。

高壓瞬變的潛在來源是天氣條件。雷電會在電源線上引起高壓和浪涌電流。由施工錯誤或交通事故引起的電源線損壞也可能導致較大的瞬變。即使沒有問題，由于高負載例如大電流負載（例如大型電動機）的掉電或斷電而引起的di/dt電流減小，也會在電源線上產生瞬變。瞬態(tài)峰值也可能是流過零線上高于正常阻抗的電流，或三相電力系統(tǒng)上的單相故障引起。

高壓瞬變會損壞產品，從而導致保修期內的維修失敗和客戶的不滿意。為客戶解決問題可能是一項昂貴的服務;制造商可能會從失望的客戶那里體驗到未來業(yè)務的潛在損失。

浪涌保護是保護產品免受高壓瞬變損害的方法。瞬變可能會導致數據傳輸中的間歇性錯誤或產品永久損壞。幸運的是，有可用的元件可提供對高壓瞬變的保護。

電源線浪涌保護設計有多種選擇，設計工程師應了解每種選擇的優(yōu)缺點。包括過電壓保護元件，例如金屬氧化物電阻（ MOV），瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，氣體放電管（ GDT）以及用于交流電的保護晶閘管或硅二極管（ SIDAC）。Littelfuse是一家電路保護器件制造商，生產這些器件中以SIDACtor@為商標的獨一無二的一款產品。TVS_極管和MOV是鉗位型元件，而GDT和保護晶閘管是泄流泄流型器件。在此應用中，鉗位定義為當超過元件的過電壓閾值時，將元件兩端的電壓保持在基本穩(wěn)定的水平。泄流是指超過元件的過電壓閾值時將電壓限制在較小的值。泄流器件像數字開關一樣可有效響應過壓而導通。

鉗位型器件具有更快的響應時間，但其電流處理能力有限。這些器件還具有與傳導電流有關的鉗位電壓。當2個器件都處于過電壓保護狀態(tài)時，由于箝位電壓高于泄流保護器件的保持電壓，因此對于高壓瞬變。鉗位器件的導通峰值電流較低。

泄流型器件可以處理更高的浪涌電流，因為當器件切換到導通狀態(tài)時，鉗位電壓非常低。接近短路的條件將瞬態(tài)能量從產品電路中分流出去。泄流元件提供給產品電路的低電壓進一步降低了產品上的任何壓力。

MOV和TVS元件是鉗位型保護器件，可以處理高峰值電流。MOV可以承受高達70kA的瞬態(tài)電流峰值。它們是低成本的保護器件，但它們確實具有較高的截止漏電流的缺點。TVS元件不具有MOV的峰值電流容量，但具有較低的通態(tài)鉗位電壓。TVS器件的使用壽命比MOV器件更長，因為MOV器件會由于持續(xù)的過電壓條件而退化，從而導致器件中的過度散熱。與泄流型器件相比，MOV和TVS元件均具有更高的寄生電容，當遭受高dv/dt或高di/dt瞬變時，產生高過沖電壓。

GDT和SIDACtor這2個鉗位型元件有很大不同。當達到閾值電壓時，GDT依靠氣體拉弧并傳導電流，而SIDACtor是半導體器件。與MOV相似，GDT的壽命有限，這取決于氣體被電離和傳導的次數。氣體被離子化后被吸附在電極上。GDT可以承受較大的峰值電流，但響應時間比SIDACtor慢得多。GDT無法阻止非常窄的高壓瞬態(tài)脈沖到產品。

在4種浪涌保護元件中，SIDACtor具有交流電源線保護的最佳特性組合。它具有長壽命，而不受器件承受的高壓瞬變次數的影響。SIDACtor具有低導通狀態(tài)泄流電壓和快速導通特性。對于高dV/dt或高d//dt浪涌，它的過沖電壓最小，和低截止漏電流。表1比較了4種保護器件。

圖1顯示了SIDACtor的特性曲線。在低于最大截止狀態(tài)電壓VDRM時，SIDACtor具有低漏電流IDRM。漏電流約為幾微安。當電壓達到器件的峰值擊穿電壓Vs時，器件打開并切換到低保持電壓VT。由于元件上的電壓被短路在低電壓下，SIDACtor可以支持大的瞬態(tài)電流，1個能夠處理5 000 A峰值浪涌電流的SIDACtor被封裝在標準的T0-218封裝中，便于印刷電路板的布局。

幸運的是，器件被完全保護而不受高壓瞬變的影響僅需幾個元件。圖2顯示了用于保護產品電源電路的3元件解決方案。SIDACtor與電源電路并聯，以提供針對交流電源線上瞬變的保護。由于SIDACtor與電源電路并聯，因此當交流線上沒有高壓瞬變時，SIDACtor對產品的性能沒有影響。SIDACtor具有低漏電流，在額定交流電源線電壓下僅消耗毫瓦的功率。與SIDACtor串聯的保險絲保護元件免受1個或多個完整交流周期的電流浪涌。串聯保險絲為電源電路提供傳統(tǒng)的過電流保護。串聯保險絲放置在SIDACtor電路之后，以保護保險絲免受高壓瞬變的影響。這個三元件網絡為電源電路提供了過壓和過流保護。

圖3顯示了SIDACtor對交流線路瞬變的快速響應。綠色曲線是電壓瞬變產生的高電流波形。藍線表示SIDACtor如何快速響應短路導通，使電源達到安全的低電壓。

SIDACtor也可以與MOV結合使用，為可能被高鉗位電壓損壞的電路提供低電壓鉗位保護。見圖4。MOV的阻抗將瞬變后的最大電流降低至少1/5，這會降低SIDACtor吸收的總瞬時能量，并確保SIDACtor得到保護。該組合的第2個重要優(yōu)點是漏電流低于MOV自身的漏電流。對于必須滿足低功耗標準的產品，在設備處于關閉狀態(tài)或待機狀態(tài)時，將其產生的漏電流降至最低對于最大化電源效率至關重要。

逆變器（圖5）是可以將SIDACtor-MOV組合用于交流電源線浪涌保護的應用。SIDACtor-MOV組合可保護逆變器驅動電路免受差分高壓瞬變的影響。當交流電源對零線具有相對較高的阻抗時，并聯MOV可防止零線到地線連接中的浪涌。對于由三相交流線路供電的逆變器，建議對三相交流線路的每相使用SIDACtor-MOV組合。這種保護拓撲結構也推薦用于電動汽車、混合動力汽車以及光伏逆變器。

有許多不同的元件可提供針對高壓瞬變的保護級別。對于交流電源線保護，SIDACtor是市場上最具成本效益的元件。它具有低導通泄流電壓，對瞬態(tài)事件的快速響應，壽命長以及可承受高浪涌電流的特點。SIDACtor或SIDACtor-MOV的串聯組合與保險絲結合使用以提供過流保護，可為產品的電源電路提供出色且簡單的保護網絡。