浪涌電壓保護注意事項

不受管理的浪涌電壓可能會(huì )導致系統中斷或損壞，甚至對用戶(hù)和操作員造成危險。浪涌保護裝置 (SPD)，也稱(chēng)為瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)，通常用于通過(guò)限制或阻斷能量來(lái)防止電壓浪涌和尖峰。SPD 可以在配電網(wǎng)絡(luò )、建筑物布線(xiàn)和電子系統中找到。IEC 61000-4-5 定義了電氣和電子設備的浪涌電壓要求。

過(guò)電壓浪涌有多種原因，會(huì )導致不同的波形（圖 1）。浪涌的可能來(lái)源多種多樣，包括系統中的熱插拔模塊；電力線(xiàn)路負荷變化大；長(cháng)電纜或與其他系統并行運行的電纜可能會(huì )產(chǎn)生感應電涌，并且；特殊的環(huán)境考慮因素，例如連接到車(chē)輛電池的汽車(chē)或卡車(chē)中的設備或可能被閃電擊中的具有挑戰性的室外位置的設備。

圖 1：浪涌波形示例和原因。

浪涌通常具有相似的上升時(shí)間和半長(cháng)，無(wú)論其原因如何，從而簡(jiǎn)化了浪涌建模過(guò)程。IEC 61000-4-5 定義了通過(guò)組合波發(fā)生器 (CWG) 施加的標準化浪涌。為了模擬典型系統中的布線(xiàn)和互連電阻，CWG 定義為 2Ω 輸出阻抗。

電流和電壓波形由 IEC 61000-4-5 定義（圖 2）。電流波形定義為短路狀態(tài)，而電壓波形定義為開(kāi)路狀態(tài)。電壓波形比電流波形長(cháng)。開(kāi)路電壓波形定義為上升時(shí)間為 1.2μs，半長(cháng)為 50μs。短路電流波形定義為較長(cháng)的 8μs 上升時(shí)間和更短的 20μs 半長(cháng)。要獲得 2Ω 的有效阻抗，電壓波形幅度必須是電流波形幅度的兩倍。

圖 2：開(kāi)路電壓（左）和短路電流（右）的 IEC 61000-4-5 波形。

浪涌保護裝置

常見(jiàn)的 SPD 包括金屬氧化物變阻器 (MOV)、氣體放電管 (GDT) 和硅雪崩二極管 (SAD) 或這些設備的組合。每種技術(shù)都提供一組不同的性能和權衡。

金屬氧化物變阻器(MOV) 是最常見(jiàn)的 SPD。MOV 是使用氧化鋅制成的，氧化鋅是一種具有可變電阻的半導體材料。在正常操作下，MOV 呈現高阻抗接地路徑，但當受到電壓浪涌沖擊時(shí)，MOV 的電阻急劇下降并提供低阻抗接地。MOV 的使用壽命有限，并且在暴露于許多小瞬變或一些較大瞬變時(shí)會(huì )退化。

氣體放電管(GDT) 使用惰性氣體代替氧化鋅。在正常操作下，氣體是呈現高電阻的不良導體。但是當電壓上升到足以使氣體電離時(shí)，它會(huì )呈現出一條低電阻路徑并將電涌轉移到地面。對于給定尺寸，GDT 可以傳導比其他 SPD 更大的電流。與 MOV 一樣，GDT 的預期壽命有限，可以承受一些非常大的瞬變或大量較小的瞬變。

硅雪崩二極管(SAD) 也可用于將浪涌能量轉移至地面，但與 MOV 或 GDT 相比，它們的電流容量較低。

電阻器、電容器和/或電感器可與 MOV、GDT 或 SAD 一起使用，以提供增強級別的保護。

電涌保護器規格

鉗位電壓，也稱(chēng)為允通電壓，是導致 SPD 鉗位或短路的電壓。雖然較低的鉗位電壓可能會(huì )提供更好的保護，但它通常會(huì )縮短 SPD 的預期壽命。UL 1449 為 SPD 定義了幾種鉗位電壓。用于 120 VAC 應用的標準鉗位電壓為 330 V。其他常見(jiàn)的鉗位電壓為 400 和 500 V。

響應時(shí)間衡量一旦達到鉗位電壓，SPD 啟動(dòng)短路所需的時(shí)間。與 MOV 相比，GDT 的響應速度較慢。然而，標準測試下的響應時(shí)間不一定是比較各種 MOV 的有用衡量標準。所有 MOV 的響應時(shí)間都在納秒范圍內，而標準測試波形浪涌持續數十微秒。GDT 速度較慢，但與 MOV 相比通?？梢蕴幚砀蟮睦擞?。因此，這兩種類(lèi)型的設備經(jīng)常一起使用?；旌?SPD 可將 GDT 和 MOV 技術(shù)組合到一個(gè)組件中。

MOV 還具有焦耳 (J) 額定值，用于定義 MOV 在單個(gè)事件中可以吸收多少能量而不會(huì )發(fā)生故障。MOV 的額定值可以超過(guò) 1,000 J 和 40,000 A。但是，由于尖峰的實(shí)際持續時(shí)間僅為幾十微秒，因此實(shí)際耗散功率很低。

通過(guò)并聯(lián)多個(gè) MOV 可以獲得更高的 J 額定值，但這種方法充滿(mǎn)挑戰。單個(gè) MOV 是不完（）美的器件，其電壓閾值和非線(xiàn)性響應略有不同。組件中的某些 MOV 預計會(huì )比其他 MOV 更敏感，從而導致稱(chēng)為電流暴漲的現象，其中更敏感的 MOV 傳導更多電流并更快開(kāi)啟。因此，當出現浪涌時(shí)，MOV 從最敏感的設備到最不敏感的設備依次打開(kāi)。這種行為有兩個(gè)后果：最敏感的 MOV 會(huì )承受更大的壓力并且使用壽命更短。組件的實(shí)際 J 額定值低于單個(gè) MOV J 額定值的總和。有效 J 額定值取決于 MOV 匹配，通常需要降額 20% 或更多。這些組件采用精心匹配的 MOV 組。匹配是根據制造商的規格進(jìn)行的，但還不夠完（）美。

最后，假設 MOV 承受連續過(guò)壓條件而不是短時(shí)電壓浪涌。在這種情況下，它可能會(huì )進(jìn)入熱失控狀態(tài)，導致過(guò)熱、冒煙甚至起火。UL 1449 要求保護 MOV 免受熱失控。在大多數系統中，熱熔斷器或熱切斷 (TCO) 設備可保護 MOV 免受熱失控。

為了獲得最佳保護，多個(gè)帶有串聯(lián) TCO 器件的 MOV 并聯(lián)放置在三個(gè)導電對（LL、LG 和 NG）中的每一個(gè)上（圖 3）。此外，線(xiàn)路中放置了一個(gè)標準保險絲，以保護系統免受過(guò)流情況的影響。保險絲的額定電流通常高于 UL 1449 測試期間流經(jīng)電路的電流?；旌掀骷稍趩蝹€(gè)封裝中組合 MOV 和熱熔斷器，從而減少組件數量并縮小解決方案尺寸。

圖 3：顯示保險絲和 TCO 位置的典型 MOV 應用。

浪涌測試

輸入浪涌電壓測試測試方法在 IEC 61000-4-5 中有詳細說(shuō)明，終端系統要求定義了限制。該測試使系統承受指（）定輸入電壓之上的電壓尖峰。尖峰模擬可能由從閃電到大型電機驅動(dòng)等各種來(lái)源引起的干擾。

系統的安裝等級決定了測試級別（圖 4）。大多數商用 AC/DC 電源都是 3 級安裝設備，并針對線(xiàn)路/中性線(xiàn)和地之間的 2kV 共模浪涌以及線(xiàn)路和中性線(xiàn)之間的 1kV 差模浪涌進(jìn)行了測試。

圖 4：IEC EN 61000-4-5 浪涌測試等級。

此外，該測試基于從 A 到 C 的三級等級，指（）定了系統對浪涌電壓所需的響應。性能標準 A 要求系統運行不會(huì )因測試而發(fā)生變化。為滿(mǎn)足標準 B，系統在浪涌事件期間會(huì )經(jīng)歷一些操作或功能變化，但隨后會(huì )自動(dòng)恢復。如果在浪涌事件后需要用戶(hù)干預來(lái)恢復系統運行，則系統滿(mǎn)足標準 C。如果浪涌損壞系統，則無(wú)法通過(guò)測試。

IEC61000-4-5 中詳細說(shuō)明了電壓尖峰如何發(fā)生、發(fā)生位置、需要的電壓電平和波形、尖峰頻率以及尖峰之間的持續時(shí)間。但該標準并未詳細說(shuō)明如何確定性能標準級別是 A、B 還是 C。該決定取決于設備制造商。

概括

如果不受交流線(xiàn)路浪涌和電壓尖峰的保護，系統可能會(huì )遭受損壞。各種 SPD 技術(shù)使設計人員能夠針對特定應用要求優(yōu)化電涌保護網(wǎng)絡(luò )。在某些情況下，多種 SPD 技術(shù)（例如 MOV、GDT 和 SAD）組合用于混合解決方案。按照 UL 1449 的規定，MOV 通常與 TCO 器件結合使用以保護熱失控。IEC 61000-4-5 規定了通用輸入浪涌電壓測試方法，包括多次浪涌測試和系統分類(lèi)性能級別。