儀器儀表產(chǎn)品脈沖耐壓試驗(yàn)要求和保護(hù)器件的選擇

張翼翔

（上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所有限公司，上海，200233）

0 引言

對(duì)于電氣強(qiáng)度試驗(yàn)，除了交流、直流試驗(yàn)，國(guó)標(biāo)GB4793.1也規(guī)定了脈沖電壓形式的試驗(yàn)。該類(lèi)型試驗(yàn)的要求、試驗(yàn)原理、如何選擇器件應(yīng)對(duì)，本文將作一些介紹。

1 GB4793.1脈沖試驗(yàn)

國(guó)標(biāo)GB4793.1-2007規(guī)定了測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求，也適用于各類(lèi)測(cè)控儀表設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定型式試驗(yàn)中，電氣設(shè)備的固體絕緣應(yīng)至少能承受規(guī)定值的交流或直流試驗(yàn)，而用于瞬態(tài)過(guò)壓抑制裝置的電路和元器件，則應(yīng)能承受規(guī)定值的脈沖電壓；例行試驗(yàn)中，電氣設(shè)備的電源電路應(yīng)能承受規(guī)定值的交流、直流、或脈沖試驗(yàn)。

常用的等級(jí)摘錄如下表1和表2所示。

表1 用作瞬態(tài)過(guò)電壓限制裝置的電路和元器件的脈沖承受電壓能力（簡(jiǎn)）

表2 電源電路例行試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓（簡(jiǎn)）

脈沖試驗(yàn)要求施加符合GB/T16927.1規(guī)定的1.2/50μs波形脈沖，正、負(fù)脈沖各5次，間隔至少1s。該脈沖波形與電磁兼容中浪涌（沖擊）試驗(yàn)的脈沖波形相同，是指虛擬上升時(shí)間（波前時(shí)間）為1.2μs，半波寬（半峰值時(shí)間）為50μs的脈沖電壓波形。該電壓波形是發(fā)生器輸出開(kāi)路時(shí)的電壓波形。發(fā)生器輸出端短路時(shí)，形成短路電流波形，其特征為波前時(shí)間8μs，半峰值時(shí)間20μs。因此這樣的發(fā)生器稱(chēng)作1.2/50-80/20μs組合波發(fā)生器或1.2/50μs組合波發(fā)生器。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的電壓和電流波形是受試電路輸入阻抗的函數(shù)。當(dāng)脈沖施加至受試單元時(shí)，由于安裝的保護(hù)裝置動(dòng)作，或沒(méi)有保護(hù)裝置，又或者保護(hù)裝置不動(dòng)作導(dǎo)致元器件出現(xiàn)飛弧、擊穿，受試單元的輸入阻抗會(huì)發(fā)生變化。因此方便起見(jiàn)，定義組合波發(fā)生器的有效輸出阻抗為開(kāi)路輸出電壓峰值與短路輸出電流峰值之比。1.2/50μs組合波發(fā)生器的有效輸出阻抗為2Ω。

GB4793.1規(guī)定對(duì)于過(guò)壓類(lèi)別2的元器件應(yīng)該采用12Ω的發(fā)生器輸出阻抗。這是通過(guò)組合波發(fā)生器有效輸出阻抗2Ω加內(nèi)部串聯(lián)10Ω達(dá)到總體12Ω的輸出阻抗。

由此我們可以推導(dǎo)出脈沖開(kāi)路電壓與短路電流的關(guān)系。

表3 根據(jù)發(fā)生器12Ω有效輸出阻抗得出的開(kāi)路電壓與短路電流關(guān)系

2 瞬態(tài)過(guò)壓裝置的類(lèi)別和選擇

2.1 瞬態(tài)過(guò)壓裝置的分類(lèi)

選擇瞬態(tài)過(guò)壓限制裝置，不光要考慮裝置的工作電壓、動(dòng)作電壓、箝位電壓、極限電壓等電壓參數(shù)，更應(yīng)該考慮電流參數(shù)，包括放電電流和沖擊電流等。

基本上，主流過(guò)壓限制器件的工作原理是這樣的：器件兩端電壓未達(dá)到工作電壓前，呈高阻態(tài)，不影響原電路的正常工作；器件兩端電壓達(dá)到工作電壓后，呈低阻態(tài)，導(dǎo)通兩端形成新的放電路徑，從而抑制電壓進(jìn)一步升高；當(dāng)器件兩端電壓降低到恢復(fù)電壓以下后，器件重新恢復(fù)到高阻態(tài)，結(jié)束一次保護(hù)動(dòng)作。瞬態(tài)過(guò)壓限制裝置大體可以分作兩大類(lèi)，開(kāi)關(guān)型和箝位型。主要區(qū)別在于，開(kāi)關(guān)型器件進(jìn)入工作狀態(tài)后，阻抗急劇降低到接近于零，像導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)。這時(shí)，器件上會(huì)通過(guò)巨大的電流，但器件本身低阻，不會(huì)承受到很大能量，因此瞬態(tài)過(guò)壓的能量會(huì)分?jǐn)偨o放電路徑上的其他元器件。而箝位型器件達(dá)到工作點(diǎn)后，阻抗不會(huì)降到零，是隨電壓升高而降低，使得器件兩端的電壓維持在工作點(diǎn)附近，即箝位。這種情況下，由于器件兩端始終保持著一定的電壓，因此相比開(kāi)關(guān)型，箝位器件上會(huì)分?jǐn)偟讲簧俜烹娦纬傻哪芰浚瑥亩鴾p輕放電路徑上其他元器件的應(yīng)力。GDT（氣體放電管）是典型的開(kāi)關(guān)型保護(hù)器，而MOV（金屬氧化物壓敏電阻）則是典型的箝位型保護(hù)器。

由于上述特點(diǎn)，開(kāi)關(guān)型和箝位型也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。開(kāi)關(guān)型器件動(dòng)作時(shí)路徑上的電流大，因此其額定放電電流相對(duì)更大，動(dòng)作后，放電路徑能更快耗盡能量。大電流對(duì)放電路徑上器件的額定值要求也更大。因此開(kāi)關(guān)型器件比較適合處理共模（線對(duì)地）沖擊。箝位型器件工作時(shí)會(huì)維持兩端電壓，因此其額定放電電流相對(duì)較小，但可以通過(guò)箝位器件本身吸收、耗散掉更多的沖擊能量，對(duì)放電路徑上其他器件有更好的保護(hù)作用，適合處理差模（線對(duì)線）沖擊。另外，箝位型器件跟隨性好，反應(yīng)快，例如MOV反應(yīng)時(shí)間可達(dá)到納秒級(jí)。而GDT根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)反應(yīng)速度普遍在微秒級(jí)。但相對(duì)GDT，MOV又具有相對(duì)較大的電容，因而影響高速通訊的正常工作。在短距離、低速通訊儀器儀表應(yīng)用中，布置箝位型保護(hù)器件較為容易。

2.2 瞬態(tài)過(guò)壓裝置的選擇方法

以MOV為例，選擇MOV時(shí)，應(yīng)考慮其允許運(yùn)行電壓，最大箝位電壓，和浪涌電流額定值。另外要考慮重復(fù)浪涌性能，也就是設(shè)計(jì)壽命，因?yàn)樾褪皆囼?yàn)中它至少要通過(guò)5正5負(fù)共10次重復(fù)測(cè)試。通常來(lái)說(shuō)，MOV封裝的尺寸正比其能量處理和重復(fù)浪涌性能。

顯然，選擇MOV的允許運(yùn)行電壓要參考布置MOV位置的環(huán)境。舉例來(lái)說(shuō)，如果是在應(yīng)用在我國(guó)交流電網(wǎng)共模對(duì)地的情況，考慮到電網(wǎng)正常波動(dòng)，可能會(huì)需要至少270VRMS的允許運(yùn)行電壓。

接下來(lái)，可以根據(jù)MOV制造商提供的不同尺寸MOV的重復(fù)浪涌性能曲線，把備選項(xiàng)縮小到某個(gè)MOV系列（封裝尺寸）。重復(fù)浪涌性能曲線反應(yīng)的是不同預(yù)計(jì)浪涌數(shù)量下，最大電流和脈沖寬度的關(guān)系。如圖1所示。

圖1 某系列MOV重復(fù)浪涌性能曲線

根據(jù)GB4793.1測(cè)試，MOV要承受10次浪涌脈沖。按簡(jiǎn)化工程計(jì)算，每個(gè)8/20μs電流浪涌具有20μs等效脈寬。因?yàn)樵囼?yàn)是對(duì)每個(gè)器件/電路施加的，可以根據(jù)表1～3來(lái)估算需要的器件電流。與選擇開(kāi)關(guān)型器件不同，這種估算其實(shí)是偏向保守的，因?yàn)閷?shí)際通過(guò)MOV的電流會(huì)因?yàn)樗鼘?shí)際箝位時(shí)拉高電壓而降低。

圖2 MOV箝位工作時(shí)的電壓-時(shí)間變化特性

選定MOV系列后，再用該系列MOV的電壓-電流特性曲線（最大箝位電壓曲線）來(lái)最終選定合適型號(hào)的MOV。這種曲線會(huì)指出上述系列中具體每個(gè)MOV的最大鉗位電壓與峰值電流的關(guān)系。如圖3所示。

圖3 所示某系列MOV的箝位電壓與峰值電流關(guān)系

所選MOV的最大箝位電壓應(yīng)該小于要求脈沖承受電壓。例如，根據(jù)表1、2，應(yīng)用在24V直流供電/信號(hào)線路上的MOV，最大峰值電流100A下箝位至少應(yīng)小于500V。器件本身耐瞬態(tài)峰值電壓的性能，應(yīng)該通過(guò)參數(shù)表頭部所列的全系列耐壓數(shù)據(jù)，而不是箝位電壓-峰值電流曲線來(lái)選擇確認(rèn)。

3 總結(jié)

本文介紹了GB4793.1標(biāo)準(zhǔn)脈沖耐壓的測(cè)試要求，總結(jié)了要求的測(cè)試等級(jí)。介紹了脈沖保護(hù)器件分類(lèi)并舉例了箝位型保護(hù)器件MOV的選擇方法。為測(cè)試目的，要根據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)要求的脈沖干擾的耦合模式和浪涌電流波形的等效脈寬，來(lái)選擇合適的保護(hù)裝置。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，也可能將開(kāi)關(guān)型和箝位型器件一起使用或者替代使用。根據(jù)使用預(yù)期，和成本設(shè)計(jì)，有的時(shí)候需要產(chǎn)品在干擾期間連續(xù)運(yùn)行，而有的時(shí)候可能只要求不會(huì)出現(xiàn)破壞，干擾出現(xiàn)器件產(chǎn)品的小偏差也能夠被接受。相較于開(kāi)關(guān)型器件，箝位型往往更容易維持產(chǎn)品在干擾期間的連續(xù)工作。