浅谈TMOV对家用电器的浪涌防护

浅谈TMOV对家用电器的浪涌防护刘东乐（厦门赛尔特电子有限公司361006）摘摘要要::金属氧化物压敏电阻（以下简称MOV）以其优越的非线性伏安特性，在浪涌保护领域应用十分广泛，并处于重要地位。由于MOV在工作时存在一定的漏电流，在持续电压作用下漏电流有增大的倾向，而且在大电流作用下，其性能更易发生劣化和失效。特别是在需要使用直径达到∮10mm及以上的MOV，在劣化和失效时，往往产生大量的热量，MOV燃烧和爆裂的现象时有发生，必需有过热保护措施。目前，出现了多种对MOV过热保护方式，其中以具有热保护的金属氧化物压敏电阻器（以下简称TMOV）昀为引人注目，它比较符合国家GB18802.1-2002及国际TEC61643、UL1449-3rd的相关防雷标准，有希望逐步替代没有任何热保护的MOV，应用于家用电器中，并成为家用电器首选的浪涌防护器件，为用户带来切实可靠的安全保障。关关键键词词：：浪涌保护MOVTMOV热保护AbbreviatedTMOVLiuDongle(XiamenSETElectronics,361006)Abstract:MetalOxideVaristorsplayacriticalroleinthefieldofsurgeprotection,andwidelyusedaskeycomponentforover-voltageprotection,owingtoitsexcellentNon-linearVolt-ampereCharacter.However,theMOVsmightthermalrunawayduetotheincreasingleakagecurrent,orburnandburstintheeventofashort-circuitfault.ForagainstMOV'sfailureandpreventingcatastrophicaccident,itisnecessarytoaddabreakerconnectingwiththeMOVinseries.Atpresent,manysolutionsofMOV'sthermalprotectionarise,thedifferentsolutionusesdifferenttechnology.Thermalfusetechnologyisaprominentandeffectivesolution,becauseithasagoodthermalcouplingwiththephysicalbodyoftheMOV.WhenthebodyofMOVbeingheatedupbythefaultcurrentthroughit,thethermalfusewillbreak.ThermallyprotectedMOVs,whichintegrateathermalfuseandadiskVaristorinasinglepackage,complywithUL14493rd,IEC61643,GB18802.1-2002standard.ThermallyprotectedMOVscansubstitutethestandardMOVandofferhighersecurity,neverfireorburn,mostsuitableforhomeapplianceagainstsurgeprotection.1前言随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，用电设备越来越多，电网越来越密，电气设备遭受雷害的事件也频出报端。雷电灾害虽是小概率事件，但发生时往往伴随着巨大的财产损失，甚至危及人身安全。近年来国家对防雷减灾工作已十分重视。雷电灾害主要由直击雷、感应雷和雷电波侵入三种因素引起，一般建筑物上的避雷针、防雷带以及引下线等防雷设施只能预防直击雷，而强大的电磁感应产生的感应雷和由雷电波侵入的过电压却能袭入室内，危及家用电器设备的安全，轻则引起设备失灵，重则导致设备内元器件失效，甚至引发火灾。电源浪涌不仅源于雷击，还源于出现故障的电力系统。当投切大负荷时，会产生叫做“操作过电压”的电源浪涌。雷击浪涌发生时，通过电网快速传输，虽经衰减，但到室内安放的家用电器时可能仍有上千伏，这个高压脉冲的持续时间很短，只有几十到几百个微秒，也许不足以烧毁电视机、空调器及洗衣机等家电设备，但是对于家电内部的半导体元器件却造成很大的威胁，直接影响家电使用效果和寿命。据有关资料，美国GE公司测定一般家庭、饭店、公寓等低压配电线(110V)在10000h(约一年零两个月)的时间内，在线间发生的超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到800余次，其中超过1000V的就有300余次。这样的浪涌电压完全有可能一次性地损坏电子设备。2MOV的广泛运用为了解决家用电器可能遭受的雷电涌压，很多家用电器都装配了压敏电阻器，如电视机、空调、洗衣机、电冰箱、电脑等。金属氧化物压敏电阻器（MetalOxideVaristor简称MOV）,它以其优越的非线性的伏安特性,及快速的响应速度，大的通流容量,没有续流，低的残压等优点,被广泛用作线路、设备及元器件的过电压保护和浪涌吸收元件。例如，电视机、空调、电脑、洗衣机等多已安装∮14mm或∮20mm的MOV。3MOV为何要采取过热保护？MOV虽有卓越的功能和作用，但它可能因工作一段时间后泄漏电流的增大或因多次承受雷电流或因暂时过电压的作用而失效，特别是∮10mm及直径更大的MOV,在失效时将伴随着大量热量,如果没有有效、迅速的保护措施，将失效了的MOV及时从线路中脱离，便会造成整个供电线路的短路事故，并引起着火或爆炸。MOV失效模式主要分为大电流失效和小电流失效两种，大电流失效模式是MOV遇到暂时过电压，MOV被快速击穿，形成低阻抗短路，短路电流很大，可以依靠与MOV串联的电流熔断器来切断电路。MOV在小电流失效模式下，主要由MOV频繁承受浪涌侵袭，漏电流增大引起高阻抗短路，此时与MOV串联的熔断器不能达到它的熔断电流而无法熔断，高阻抗短路会产生很大的焦耳热，引起MOV周围的可燃材料的温度升高，如没有过热保护措施，就可造成MOV燃烧和爆裂现象的发生。如采取了过热保护措施，那么就可使MOV在温度异常升高时从电路中脱离，以保障电路及设备安全。4MOV热保护的措施目前，市场上对MOV保护的方法和产品主要有以下几种：4.1增加MOV自身的防燃和抗爆能力。在MOV本体上装热缩套管来增加MOV的抗爆能力；把MOV放入盒体中，再灌入石英砂等来防燃。采取这些措施以后，虽在一定程度上减少了MOV的起火现象,但是治标而不治本。MOV在发热时产生的热量，虽一部份被削弱，但其余的热量还能通过MOV的引线快速传至电源的线路板,造成线路板碳化而引发火险，也能使MOV的温度升高而发生热击穿着火，更重要的是这些方法，它不能抑制MOV失效和监视MOV的性能状态，把失效的MOV从电路中脱离，它不符合国家防雷规范GB18802.1-2002等标准对防雷器件的相应要求。4.2抑制、减缓MOV的劣化目前采取的方法，主要有两种。其一：MOV并联使用采用几个MOV并联要比仅采用单个MOV可靠，因为采用单个MOV进行保护，一旦该MOV失效，则被保护电子设备就将失去保护，而当采用几个MOV并联保护后，在MOV并联体中，如果其中一个被损坏，其它完好者仍可担负起保护作用。在应用于较大暂态过电流的保护场合时，采用多个MOV并联与单个MOV相比，多个MOV并联可以给出较低的箝位电压，可以提高泄放暂态过电流的能力，还可延缓其中各MOV的性能劣化。但在并联时，还需考虑均流等问题，否则难以达到预想效果。在暂态过电流不大的保护家用电器场合，采用多个MOV并联一般没有明显优势，反而会增加成本负担，因此，家用电器采用单个MOV进行浪涌保护是有效的。其二：MOV与GDT（气体放电管的简称）配合使用此种方式又分两种：a.MOV与GDT的并联使用MOV在通过持续大电流后，自身的性能会退化，将MOV与GDT并联起来可以克服这一缺点。在GDT尚未放电导通之前，MOV就先动作，吸收瞬时过电压，然后GDT放电导通，这时大部分浪涌电流通过GDT，减小了对MOV的通流压力，有助于减缓MOV的性能退化。但是必须指出，这种并联组合电路并没有解决GDT可能产生的续流问题，因此，它不宜应用于交流电源系统的保护，对家用电器的浪涌保护是不可取的。b.MOV与GDT的串联使用在这种串联组合电路中，GDT像是起着一个开关作用，当没有瞬态过电压作用时，它能够将MOV与供电电源隔离开，没有施加工频电压，在MOV中几乎无泄漏电流，这种方式可有效的解决MOV的漏电流不断增大的问题。如果单独把GDT使用在电源电路中，GDT会产生续流，然而，当把MOV与GDT串接时，其间的MOV就能够切断这个续流，这种方法曾在美国、西班牙、日本、荷兰等国SPD防雷制造商那里获得了成功的经验。我国的铁道信号防雷装置中，早在八十年代初已开始应用，也取得了良好的效果。虽然MOV与GDT串联可用在各种保护模式中，能够克服MOV的泄漏电流逐渐增大的问题，但是，这种MOV与GDT串联却不能用在末级防雷装置中，因为GDT对过电压的响应时间总是比MOV慢，GDT与MOV串联，MOV响应时间快捷的优点被GDT响应时间慢的缺点限制了，在GDT还没有响应前，输入的过电压并没有受到抑制，这个尖峰电压会施加到被保护设备上，这个尖峰电压对灵敏的电子设备是一个威胁。如果使用仪器来测量由MOV与GDT串联电路抑制后的限制电压波形，可以清楚地看到这个波形的前面有一个持续时间很短的尖峰。如果这个尖峰也认为是限制电压，即使尖峰的持续时间很短，若被保护设备是有大规模集成电路或超大规模集成电路构成的就不能承受这个尖峰电压。一般MOV与GDT串联使用的方案只能用于第二级防雷保护装置中，对于家用电器的末级的浪涌保护，用这种方法显然是不可取的。4.3用正温度系数热敏电阻PTC与MOV串联使用利用MOV过压响应时的电流和发热升温使PTC热敏电阻快速反应，对MOV进行过温保护。此种方式，在一定程度上可减少MOV的导通时间，抑制导通电流量，减少焦耳热的发生，对MOV有一定的保护效果，但由于PTC通流能力差，采用这种方法对家用电器的浪涌保护明显不足，如MOV失效，PTC还是存在不能把其从电路中及时脱离的缺陷。4.4对MOV采取热保护目前，对MOV采取热保护的方式也分两类：一类是机械式的热脱离机构；另一类是采用与MOV有一定的热耦合作用的温度保险丝（简称TCO）。机械式的热脱离机构在众多的防雷装置中早已应用，大体上是利用杠杆平衡原理来设计这种热脱离机构的。采用TCO作为MOV的热保护也有两种，即外靠式和内置式。外靠式是把一个TCO与一个MOV通过紧贴在一起构成串联连接；为了增加TCO与MOV之间的热耦合程度，可在二者之间可加导热硅胶，或把二者用热缩管绑扎起来的，还可以再加一外壳进行包封。此种热保护方式对MOV的小电流失效，即慢慢升温引起的失效有保护作用，但由于MOV与TCO之间的热耦合不紧密，因此热保护效果受限。内置式即热保护型压敏电阻器（ThermallyProtectedMOV简称TMOV)，是近年来兴起的MOV保护器件，主要在MOV本体上增加一个TCO。这个TCO内电阻很小，不但自身不发热，而且流过大电流时电压降很低。TCO紧靠MOV,之间具有相当好的热耦合性能，能够比较灵敏地感受到MOV的温度升高（简称温升），又由于TCO与MOV是互相串联的，当TCO受热断开时，就切断了MOV的供电通路，使MOV的温升不再提高，这样就达到了热保护的目的。5TMOV现状TMOV最早由美国力特（Littelfuse）公司推出,经过近十年的快速发展，目前全球的TMOV生产厂家已达几十家。截止2010年6月已获得UL认证的TMOV厂家就有近二十家，其中欧美企业就有十几家，来自中国台湾地区的有三家，中国大陆企业仅厦门赛尔特一家。除了力特公司和厦门赛尔特公司以外，其他公司设计的TMOV,几乎都是外购单个的TCO元件，未