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适用于交流电源线应用的高功率半导体Crowbar保护器

作者:力特时间:2018-02-06来源:电子产品世界收藏

力特供稿

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201802/375460.htm

  交流电源线干扰是导致许多设备出现故障的原因,也会像电源、LED照明、工业系统和消费类设备(如烤箱、冰箱和电视机)的破坏那样严重。

  电源线干扰有多种叫法,例如瞬态、浪涌、尖峰等。但是不管具体叫法如何,了解其特性和可用的各种保护元件的操作,对于设计一个有效的保护电路来说都是必不可少的。

  这些输电线有一些常见保护元件。最常见的过电压保护元件是MOV(金属氧化物压敏电阻)、高功率TVS(瞬态电压抑制)二极管和GDT(气体放电管)。在本文中,我们将讨论SIDACtor®保护型晶闸管元件来进行交流电源线过电压的保护的创新应用。

  1浪涌保护

  浪涌保护元件可分为两种基本类型:撬棒型器件,如GDT气放管和SIDACtor保护型晶闸管等; 钳位型器件, 如TVS二极管、MOV等。

  钳位元件响应速度较快,但由于瞬态能量必须由钳位元件耗散,所以其电流处理能力受到限制。此外,钳位元件两端的电压降随通过它的传导电流的增加而减小。因此,较高的钳位电压阈值元件具有较低的峰值电流能力(对于特定系列中的所有元件,额定功率保持不变,但是由于功率是电压和电流的乘积,因此增加电压需要电流减小)。

  撬棒型元件可以处理更高的浪涌电流,因为在导通状态下,元件两端的电压非常低。撬棒元件充当“近短路值”路径,将暂态能量从受保护的设备中分流出去。

  2交流电源线路保护中的SIDACtor元件

  由于SIDACtor元件的性质是撬棒型保护及其与交流电源的兼容性,可能会出现一些问题。本文将回顾选择用于交流电源线保护的SIDACtor元件的设计参数。请注意,关于SIDACtor元件使用的讨论仅限于交流电源线;它与大电流直流电源端口不兼容。SIDACtor元件将在用于交流信号的每个半周期过零处的AC端口上复位。但是,对于大电流直流电源线,如果可用短路电流高于其保持电流参数,则SIDACtor元件不会复位。

  3 Littelfuse Pxx00MEL系列SIDACtor元件

  Littelfuse Pxx00MEL系列高能量SIDACtor元件具有撬棒型特性,可提供比传统GDT电弧电压低得多的低通态电压值,并且它还可以提供比MOV钳位电压低得多的阈值电压。与钳位硅TVS二极管相比,Pxx00MEL SIDACtor元件的通态电压非常低,因此可以处理更高的浪涌电流。与GDT、MOV或TVS元件相比,它还为高dv / dt或高di / dt事件提供了低得多的过冲特性。

  Pxx00MEL系列具有从140V至350V的元件工作电压(VDRM)(又称断态电压)。参考IPP浪涌电流和ITSM表,Pxx00MEL可提供5000A 8/20 IPP(峰值脉冲额定电流)和适用于50 / 60Hz 交流单周期正弦波浪涌事件的最小电流400A ITSM。

  Pxx00MEL是对传统GDT的改进解决方案。它们可提供:

  1)低通态电压条件,从而在长期事件期间保持较低的热累积;

  2)在高dv / dt事件期间减小过冲;

  3)无磨耗机制;

  4)在不降低过冲特性的情况下,更接近某些国家交流电源线值的对峙电压值选择(较低电压GDT使用较低电压形式的不同气压,因此导致较慢的开启特性和较高的过冲)。

  图1a和图1b显示了与电源线熔断器一起使用的SIDACtor元件P3800MEL,然后显示了与串联过电流熔断器一起使用的SIDACtor元件P3800MEL。在正常工作状态下,SIDACtor元件和系列熔断器不会对电源线作出反应并透明工作。当有一个交流电压或浪涌感应电压超过P3800MEL元件的VDRM时,开始切换到低电阻导通状态。电源线熔断器是为了保护SIDACtor元件,其电流ITSM值不超过交流电源事件重复正弦跟随期间的值。

  这种组合将为这个电源端口提供协调的过流和过压保护解决方案。图1b为设计人员提供了一个专用于SIDACtor增强型过电流保护的选项。与SIDACtor元件一起增加的系列熔断器可为SIDACtor元件本身提供过载或过应力状态保护。这种解决方案的主要区别在于电源线熔断器必须遵循SIDACtor +系列熔断器组合。SIDACtor +系列熔断器为电力熔断器和后续电源电路提供浪涌保护,同时电力熔断器为交流线路电流和电源电路提供保护。如果电源电路需要敏感的过电流保护,由于这种电力熔断器不需要考虑提供高浪涌能力,这一点显得尤为重要。请注意,上面的保护拓扑结构就是一些例子。实际的保护方案将需要在实际环境中进行测试和验证。

  图2显示了SIDACtor元件对3kA(8/20μs处)浪涌的响应(未连接到交流电源)。橙色线显示3kA (8/20μs处)的浪涌波形,蓝色线显示SIDACtor元件响应曲线。本P3800MEL元件在撬棒型之前的初始峰值为272V,并将电压限制在<30V。

  图3,当SIDACtor元件响应交流电压线上的3kA浪涌时,施加于SIDACtor元件的AC电流(278A)有很大的跟随。由于P3800MEL的ITSM额定值为最小值400A(50/60 Hz,单周期交流额定电流),因此这个半周期的高交流电流不会损坏SIDACtor元件,这样一来就可以安全地处理了。这一限制作用是线路阻抗和/或电源额定电流的函数。

  4与其他MOV钳位器件一起使用SIDACtor元件

  Littelfuse Pxx00MEL系列还可以与MOV串联,为被较高钳位电压损坏的电路形成低钳位保护。

  MOV和SIDACtor元件组合的通态阈值必须高于稳态交流线路电压,但激活这一组合后,使用撬棒型元件提供的钳位电压比MOV本身可提供的整体钳位电压更低。

  图4显示了一个较低工作电压SIDACtor元件P2300MEL(直流180V),与熔断器前面的一个Littelfuse MOV V20E130P(交流 130V)串联。这个完整的电路为交流线路提供过流和过压保护。

  图5显示了在3kA(8/20μs处)浪涌事件期间SIDACtor元件+ MOV组合以及由此产生的425V最大钳位电压,这一数值比仅具有低通态电压<30v的SIDACtor元件最大钳位电压更高。较高钳位电压是由于V20E130P MOV钳位电压与P2300MEL SIDACtor元件一起加在状态电压上的,使得由此产生的钳位电压> 30V,如上例所示。但是,如果单独使用MOV,对于这一240v交流线路,所需的MOV将会是V20E275P,并且钳位电压将会上升到900V以上,这可能会危害之后的电子器件。仅使用SIDACtor元件、SIDACtor元件+ MOV元件的组合和仅使用MOV元件,这三种解决方案之间的钳位电压差异显示出三种截然不同的保护解决方案结果。

  在图6中,3kA (8/20μs处)浪涌触发SIDACtor元件+ MOV组合后,交流跟随电流测量值为43.2A。与仅使用SIDACtor元件的解决方案相比,添加MOV可以减小交流跟随电流。另一方面,SIDACtor + MOV组合的漏电流也比仅使用MOV的解决方案漏电流更低,从而提高MOV的工作寿命。因此,SIDACtor可在交流线路电源保护中为传统MOV解决方案带来互利。对于一些敏感性设计或出于合规性目的,应该在线路中添加一个电流断路器(熔断器元件),以符合安全检查表要求。

  在图6中,3kA (8/20μs处)浪涌触发SIDACtor元件+ MOV组合后,交流跟随电流测量值为43.2A。与仅使用SIDACtor元件的解决方案相比,添加MOV可以减小交流跟随电流。另一方面,SIDACtor + MOV组合的漏电流也比仅使用MOV的解决方案漏电流更低,从而提高MOV的工作寿命。因此,SIDACtor可在交流线路电源保护中为传统MOV解决方案带来互利。对于一些敏感性设计或出于合规性目的,应该在线路中添加一个电流断路器(熔断器元件),以符合安全检查表要求。

  如上所述,熔断器的I2t应大于99.245 / 0.22 = 451 A2S。半周期交流 SIDACtor元件的I2t值为1/2 × 400 × 400 × 0.01 = 800 A2S。(400A是P3800MEL的最大ITSM)。显然,降额I2t(451 A2S)小于半周期SIDACtor元件I2t(800 A2S),确保熔断器在超过ITSM SIDACtor额定值之前断开。

  对于MOV,通常我们会计算其跟随交流电流的能量,从而估算MOV额定值是否足够。在这种情况下,通过MOV V20E130P的总电流能量为3kA(8/20μs处)加上43A半周期交流电流。所以总能量是0.71×250×3000×20×10 - 6 + 0.71×250×43×0.007 = 10.65 + 53.43 = 64.08 J。这一数值小于V20E130P 100 J规格书的规定限值。

  因此,选定的熔断器将具有比3kA(8/20μs处)浪涌电流和交流跟随电流能量更大的I2t额定值,从而确保当OVP解决方案按设计运行时不会导致滋扰开路。

  那么,具有交流 250V额定并且和I2t值为451的熔断器就是保护SIDACtor元件+ MOV元件的最佳选择,在保持正常工作的同时为SIDACtor元件+ MOV元件提供保护。

  5结论

  Pxx00MEL SIDACtor元件可以极为理想地保护交流电源线路。它具有低通态撬棒阈值、快速通态特性、低过冲、高浪涌电流、精确的工作电压值,并且不会因浪涌额定值内的反复激活而磨损。在SIDACtor元件之前使用合适的熔断器/过电流元件,可以为交流电源线路提供优良的保护解决方案。此外,请注意,这只适用于交流电源线路上的短时浪涌,并不适用于大电流直流电源线路,除非直流电流限制在低于保持电流参数的SIDACtor元件的电平,或者直流电源可识别短路负载条件并自动切断。



关键词: Crowbar 保护器

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