浪涌抑制器件特性及选用

浪涌抑制器件特性及选用浪涌防护器件目前在防雷浪涌过压的保护器件中主要有：防雷器、放电管、压敏电阻和半导体浪涌保护器。在防雷器件的使用中按防护同流量能力的大小大致分为防雷器气体放电管压敏电阻SAD（SurgeArrestDevice），从价格上按相同容量的防浪涌器件，SAD的价格高于放电管，约是压敏电阻的2倍，但SAD的响应时间最快，同时漏电流也相对较小。以上四种防浪涌器件中，放电管和SAD都存在有动作后的续流问题，在应用中应加以考虑。压敏电阻压敏电阻的特性金属氧化物压敏电阻的V/I特性曲线相似于指数函数，可简单表示为：aKVI，其中K为陶瓷常数，取决于压敏电阻器的制作工艺材料等，对于金属氧化物压敏电阻指数a可大于30，压敏电阻的V/I特性如图1：图1压敏电阻的V/I特性压敏电阻的等效电路如图2，为电感、电容和电阻的串联模式，图2压敏电阻的等效电路其中L为引线电感量，C为电容器，Rig为中间相的电阻值，Rv为理想的压敏电阻，Rb为ZnO的导通阻抗。压敏电阻的工作电压，指在规定的工作电压时，导通电流较小，当所加电压为压敏电压的0.75倍时，压敏电阻的漏电流为uA级别，可忽略不计。脉冲电流，一般指流通过压敏电阻电流波形为8/20us波的瞬态最大脉冲电流。能量耐量，指压敏电阻的能够承受的最大的能量，其计算为：10)()(ttdttitvW。压敏电压，指压敏电阻流通过1mA的电流时，所需加在压敏电阻上的电压。响应时间，指压敏电阻对浪涌的响应速度，一般为皮秒到纳秒级别，可和SAD防浪涌器件做比较。温度系数，指温度变化时压敏电阻的V/I特性随着变化，压敏电阻呈负温度特性，当温度升高时，压敏电阻的动作电压、脉冲电流、能量耐量和持续负荷都相应的降低。压敏电阻发生浪涌过电压冲击时，在压敏电阻上测得的电压峰值既为残压，残压于压敏电压的比值，称为残压比，一般要求残压比小于3。在实际应用中应考虑到残压对保护元件的影响。过载特性，当脉冲电流大于压敏电阻的规定值时，可导致压敏电阻受到永久性的损伤，此时压敏电阻没有损坏，但动作电压点可能会发生偏移；当输入的脉冲能量远大于其规定值时，将发生通过陶瓷体的击穿，在极端的情况下压敏电阻爆裂；当流通过压敏电阻过高的持续负荷时，将导致ZnO晶粒的融合，产生热击穿，压敏电阻陶瓷体的触点接通面可能因发热导致脱焊。压敏电阻的应用及保护原理压敏电阻可应用在通讯、能源、交通、工业、民用等所有电子设备防浪涌场合。按不同的浪涌过电压种类可分为，设备内部过电压，如电感负载的接通、飞狐、静电充电等引起的设备内部过电压，可通过计算出最坏情况下的条件来选用压敏电阻；外部过电压，强的电磁场、电网波动、雷电影响等都可造成外部的过电压。对于外部浪涌过电压因其波形、振幅和频繁度在大多数情况下是未知的或是很不明确的，这对需要保护的电路布置的参数设置选择是相当困难的。在对外部浪涌过压防护元件的选用上，可参考典型电源网络进行计算，但由于当地都存在有较大的差异性，，因此对于可靠的过电压保护装置，在选用上必须留有较大的余量参数。压敏电阻的保护原理如图3：图3压敏电阻的保护原理图3中Vb为正常工作电压，Vs为浪涌电压，Zsource为电缆的直流电阻，或一个线圈，或是一个传输线复合特性阻抗的有感电阻。当浪涌到达时压敏电阻动作，使其流通大电流，通过Zsource分压，使大部分浪涌电压落在Zsource上，起到保护后边的电子设备的作用。压敏电阻动作时的V/I特性和保护水平如图4：图4压敏电阻的V/I特性和保护水平图4中浪涌电压为①，通过压敏电阻抑制后为②，起到保护的作用。压敏电阻的串联使用，为达到比较精确的工作电压，一般采用同一系列不同工作电压值的压敏电阻可以串联组合使用，串联电路的最大工作电压为每个压敏电阻的最大工作电压之和。压敏电阻的并联使用，为了提高能量的吸收能力，相同型号的压敏电阻可以并联使用。图5为压敏电压为误差上限和下限的两个压敏电阻的V/I特性近似值图：图5压敏电阻并联使用的V/I特性由图3看出，当浪涌电流较小时两个压敏电阻的电流吸收存在有较大的差别，当浪涌电流增大以后，每个压敏电阻的电流吸收基本趋于一致。压敏电压差别较大的压敏电阻并联，其分配浪涌吸收电流的不一致性也加大。压敏电阻除了自身的并联和串联使用外，还可以和放电管等其他防雷器件组合使用，起到优化组合使用的目的。压敏电阻的选用压敏电阻的选用主要有一下三个步骤：1，适合的工作电压的压敏电阻。2，考虑脉冲电流、能量耐量和持续容许负荷。3，确定被选出的压敏电阻在过电压的情况下，最大可能的电压上升和被保护的元件或是电流回路的耐电压强度进行比较。在工作电压的确定上应考虑到被保护元件的最大耐压水平和压敏电阻的使用寿命上，当选用较低的工作电压的压敏电阻时，压敏电阻漏电流较大，寿命短，选用工作电压较高的压敏电阻显然是不合适的。在工作电压的选取上应同时考虑到电网源的正向波动情况。一般工作电压确定为2.1电网最高电压压敏电压VV。脉冲电流是最难确定的一个参数，因为在实际使用中的浪涌冲击电流是很难确定的一个量，在脉冲电流的确定上可通过PsPice模拟和近似计算的方法得出，电缆电阻压敏电压浪涌电压脉冲电流ZVVi。压敏电阻的脉冲电流应和输入保险相配合选用。由于浪涌产生压敏电阻的能量损耗，10)()(ttdttitvW，在正常使用时的能量耐量应小于规定最大值。在正常工作电压下压敏电阻的损耗为Po，由于此时漏电流较小，一般为几微安，Po可忽略不计。持续负荷主要考虑重复的浪涌冲击而产生的持续损耗。能量耐量和持续容许负荷都应小于规定最大值，否则压敏电阻易发生热击穿现象。确定压敏电阻的最大残压，一般压敏电阻的残压比在1.5~3之间，和浪涌脉冲电流的大小有关系。由被保护的元件所能承受的最大耐压确定压敏电阻的残压。一般半导体器件对us级别的浪涌冲击的耐受电压都较高，压敏电阻的选用时做相应的考虑。压敏电阻使用中的注意事项1，当输入的脉冲能量远大于其规定值时，将发生通过陶瓷体的击穿，在极端的情况下压敏电阻爆裂；当流通过压敏电阻过高的持续负荷时，将导致ZnO晶粒的融合，产生热击穿，压敏电阻陶瓷体的触点接通面可能因发热导致脱焊，并引起压敏电阻外层涂漆的起火。所以在压敏电阻的应用中应考虑到爆裂及防火的意外因数，在结构上做相应的保护，防止压敏电阻失效后故障进一步扩大。2，压敏电阻的管脚焊接应尽量短，较小其寄生电感，提高响应速度。3，压敏电阻在缓慢过压损坏时，若电压源的能量较小，将会导致压敏电阻过热击穿，并引起明火，压敏电阻应和适合的保险丝相配合使用，当压敏电阻存在有击穿后的续流时，保险丝应起到保护的作用，防止故障进一步扩大。对于不同直径的圆片型压敏电阻配合使用的保险容量如下表：结构形式φ5mmφ7mmφ10mmφ14mmφ20mm安全额定电流(A)≤1≤3≤6≤10≤16放电管放电管的特性和分类放电管主要分为气体放电管和半导体放电管，其中气体放电管由烧结的材料不同分为玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管，玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管具有相同的特性。放电管动作后只需要很低的电压即可维持其低阻状态，所以放电管属于开关型的SPD。当正常工作时放电管上的漏电流可忽略不计；击穿后的稳定残压低，保护效果较好；耐流能力较大；在使用中应注意放电管的续流作用遮断，在适当场合中应有有效的续流遮断装置。气体放电管气体放电管：气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成，在玻璃管或是陶瓷管中充有惰性气体；其电气性能主要取决于气体压力，气体种类，电极距离和电极材料；一般密封在放电管中的气体为高纯度的惰性气体。放电管主要由：电极、陶瓷管(玻璃管)、导电带、电子粉、Ag-Cu焊片和惰性气体组成。在放电管的两电极上施加电压时，由于电场作用，管内初始电子在电场作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，一旦电子达到一定能量时，它与气体分子碰撞时发生电离，即中性气体分子分离成电子和阳离子，电离出来的电子与初始电子在行进过程中还要不断地再次与气体分子碰撞发生电离，从而电子数按几何级数增加，即发生电子雪崩现象，另外，电离出来的阳离子也在电场作用下向阴极运动，与阴极表面发生碰撞，产生二次电子，二次电子也参加电离作用，一旦满足：r(ead-1)=1时放电管由非自持放电过渡到自持放电，管内气体被击穿，放电管放电，此时放电电压称为击穿电压Vs。放电管放电后，管子从绝缘态变为导体，管内产生电流，随着电流的增加，放电管由辉光放电变为弧光放电，而此时管压降远远小于Vs,而且其值不随电流的变化而变化，此时放电管两端只要保持很低的电压即可维持其自持放电状态，显现一种稳态，从而达到吸收过压浪涌的作用。半导体放电管半导体放电管和气体放电管具有相同的外在特性和保护机理。半导体放电管由固态的四层可控硅结构组成，半导体过压保护的工作原理为：浪涌电压超过其转折电压VBO时放电管动作，起到旁路的作用，其中半导体放电管有一个返送装置，就像一个可自动切换的开关，其电流-电压(I-V)特性曲线如图6中所示；图6半导体放电管工作原理图中IPP(非重复峰值脉冲电流)：施加时不会损坏装置的特定波幅和波形的峰值脉冲电流的额定最大值；IT(导通电流)：在导通条件下通过装置的电流；VT(导通电压)：在特定电流IT的导通条件下跨过装置的电压；IH(保持电流)：将装置维持在导通状态所需的最小电流IBO(转折电流)：在转折电压VBO处的瞬态电流；VBO(转折电压)：当浪涌电压超过反向击穿电压VBR，即将返送时跨过装置的最大电压，此值是在特定的电压增长率和电流增长率下测量的；VD(闭态电压)：装置处在断开状态时两端的DC电压；ID(泄漏电流)：装置处在断开状态时流过的极小的电流。半导体放电管返送装置在电压低于转折电压VBO时通常处于高阻状态。在这个状态之前，流过装置的泄漏电流ID非常小，当电压超过VBO时，装置立刻返送而进入低阻状态，此时，跨过装置两端的电压为导通电压VT（约为5伏），流过装置的电流为导通电流IT，放电管保持在低阻状态，直至通过装置的电流降至低于其保持电流IH。放电管的应用放电管主要应用在对电压浪涌冲击比较敏感的电子电路中，和保护电路并联使用，当有电压浪涌发生时，放电管动作，放电管动作后的低阻起到旁路和保护后级电子电路的作用，应用电路图如图7。图7放电管应用电路因放电管属于开关型SPD，当放电管动作以后只需要极低的电压即可保持导通的状态，存在有浪涌后的续流问题。所以在放电管在防浪涌应用中须有可靠的续流遮断器，保证浪涌过后电路正常或是自动恢复正常工作。气体放电管在浪涌保护应用中大多和压敏电阻串联共同使用，起到响应速度快，通流量大的作用，同时压敏电阻起到浪涌过后的续流遮断的作用。放电管在选用时候主要考虑到的参数有：放电管的动作电压，放电管的最大承受8/20us浪涌电流；还有就是元器件的安装和尺寸。气体放电管和半导体放电管在外在特性参数相同时可以直接互换使用。放电管使用中的注意事项1，放电管属于开关型SPD，在防浪涌应用中须有续流遮断装置，保证浪涌过后电路能正常工作。2，当瞬间通过较大的浪涌冲击电流时，放电管会出现爆裂现象，在应用中应注意。瞬变电压抑制二极管TVS管的特性瞬变电压抑制二极管（TransientVoltageSuppressionDiode，TVS）是一种特殊的二极管雪崩器件。其工作原理和齐纳二极管类同，特性和符号和齐纳二极管相同，所不同的是TVS具有更大面积的PN结，另外它的反向特性为典型的雪崩型，在雪崩时具有低动态阻抗和低箝位电压，当TVS的两极收到反向瞬态浪涌电压冲击时，它能以1×10－9毫秒量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，迅速吸收高达数千瓦数量级的浪涌功率，使两级间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路元器件免受各种形式的浪涌脉冲的损害。TVS管的工作原理TVS有单向和双向之分，电力线Modem芯片上一般采用双向TVS。双向TVS的V－I特性如图8所示，TVS的电压（电流）-时间特性如图9：图8TVS电压-电流特性图9TVS电压（电流）-时间特性从图8