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使用泄流型保护晶闸管避免现场故障

作者:Teddy To,Walt Tian,Andy Xu时间:2020-04-29来源:电子产品世界收藏

  Teddy To (Littelfuse公司 高级技术营销经理)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202004/412561.htm

  Walt Tian (Littelfuse公司 技术支持经理)

  Andy Xu (Littelfuse公司 高级技术支持工程师)

  摘 要:确保产品满足电源线瞬变的可靠性是设计的关键之一,这在产品设计过程中通常不会引起适当的关注。虽然由于高压瞬变而导致的产品故障是外部事件,但该故障是由于设计不足以保护产品的内部电路而引起的。因此,电源线浪涌保护是确保坚固耐用的交流电源设备必不可少的要素。本文介绍了使用来避免的解决方案。

  关键词:

  对于制造商来说,产品在现场的故障都是昂贵的,并且会让客户感觉质量很差。

  SIDACtor I-V曲线如图1,它是一种具有关闭状态和开启状态的双极型器件。V DRM 是最大截止状态电压。在那种状态下,最大电流 I DRM 是截止状态漏电流。当器件两端的电压达到击穿电压V S 时,器件切换到导通状态,并导通大电流。SIDACtor将I H (保持电流)保持在低电压V T (保持电压)上。由于V T 较低,SIDACtor在满足功率要求时可以保持较大的电流。

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  确保产品满足电源线瞬变的可靠性是设计的一个关键方面,这在产品设计过程中通常不会引起适当的关注。虽然由于高压瞬变而导致的产品故障是外部事件,但该故障是由于设计不足以保护产品的内部电路而引起的。因此,电源线浪涌保护是确保坚固耐用的交流电源设备必不可少的要素。

  高压瞬变的潜在来源是天气条件。雷电会在电源线上引起高压和浪涌电流。由施工错误或交通事故引起的电源线损坏也可能导致较大的瞬变。即使没有问题,由于高负载例如大电流负载(例如大型电动机)的掉电或断电而引起的di/dt电流减小,也会在电源线上产生瞬变。瞬态峰值也可能是流过零线上高于正常阻抗的电流,或三相电力系统上的单相故障引起。

  高压瞬变会损坏产品,从而导致保修期内的维修失败和客户的不满意。为客户解决问题可能是一项昂贵的服务;制造商可能会从失望的客户那里体验到未来业务的潜在损失。

  浪涌保护是保护产品免受高压瞬变损害的方法。瞬变可能会导致数据传输中的间歇性错误或产品永久损坏。幸运的是,有可用的元件可提供对高压瞬变的保护。

  电源线浪涌保护设计有多种选择,设计工程师应了解每种选择的优缺点。包括过电压保护元件,例如金属氧化物电阻(MOV),瞬态电压抑制(TVS)二极管,气体放电管(GDT)以及用于交流电的或硅二极管(SIDAC)。Littelfuse是一家电路保护器件制造商,生产以SIDACtor ® 为商标的产品。TVS二极管和MOV是钳位型元件,而GDT和保护晶闸管是器件。在此应用中,钳位定义为当超过元件的过电压阈值时,将元件两端的电压保持在基本稳定的水平。泄流是指超过元件的过电压阈值时将电压限制在较小的值。泄流器件像数字开关一样可有效响应过压而导通。

  钳位型器件具有更快的响应时间,但其电流处理能力有限。这些器件还具有与传导电流有关的钳位电压。当2个器件都处于过电压保护状态时,由于箝位电压高于泄流保护器件的保持电压,因此对于高压瞬变,钳位器件的导通峰值电流较低。

  泄流型器件可以处理更高的浪涌电流,因为当器件切换到导通状态时,钳位电压非常低。接近短路的条件将瞬态能量从产品电路中分流出去。泄流元件提供给产品电路的低电压进一步降低了产品上的任何压力。

  MOV和TVS元件是钳位型保护器件,可以处理高峰值电流。MOV可以承受高达70kA的瞬态电流峰值。它们是低成本的保护器件,但它们确实具有较高的截止漏电流的缺点。TVS元件不具有MOV的峰值电流容量,但具有较低的通态钳位电压。TVS器件的使用寿命比MOV器件更长,因为MOV器件会由于持续的过电压条件而退化,从而导致器件中的过度散热。与泄流型器件相比,MOV和TVS元件均具有更高的寄生电容,当遭受高dv/dt或高di/dt瞬变时,产生高过冲电压。

  GDT和SIDACtor这2个钳位型元件有很大不同。当达到阈值电压时,GDT依靠气体拉弧并传导电流,而SIDACtor是半导体器件。与MOV相似,GDT的寿命有限,这取决于气体被电离和传导的次数。气体被离子化后被吸附在电极上。GDT可以承受较大的峰值电流,但响应时间比SIDACtor慢得多。GDT无法阻止非常窄的高压瞬态脉冲到产品。

  在4种浪涌保护元件中,SIDACtor具有交流电源线保护的最佳特性组合。它具有长寿命,而不受器件承受的高压瞬变次数的影响。SIDACtor具有低导通状态泄流电压和快速导通特性。对于高dv/dt或高di/dt浪涌,它的过冲电压最小,和低截止漏电流。表1比较了4种保护器件。

  图1显示了SIDACtor的特性曲线。在低于最大截止状态电压V DRM 时,SIDACtor具有低漏电流I DRM 。漏电流约为几微安。当电压达到器件的峰值击穿电压V S 时,器件打开并切换到低保持电压V T 。由于元件上的电压被短路在低电压下,SIDACtor可以支持大的瞬态电流,1个能够处理5000A峰值浪涌电流的SIDACtor被封装在标准的TO-218封装中,便于印刷电路板的布局。

  幸运的是,器件被完全保护而不受高压瞬变的影响仅需几个元件。图2显示了用于保护产品电源电路的三元件解决方案。SIDACtor与电源电路并联,以提供针对交流电源线上瞬变的保护。由于SIDACtor与电源电路并联,因此当交流线上没有高压瞬变时,SIDACtor对产品的性能没有影响。SIDACtor具有低漏电流,在额定交流电源线电压下仅消耗毫瓦的功率。与SIDACtor串联的保险丝保护元件免受1个或多个完整交流周期的电流浪涌。串联保险丝为电源电路提供传统的过电流保护。串联保险丝放置在SIDACtor电路之后,以保护保险丝免受高压瞬变的影响。这个三元件网络为电源电路提供了过压和过流保护。

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  图3显示了SIDACtor对交流线路瞬变的快速响应。绿色曲线是电压瞬变产生的高电流波形。蓝线表示SIDACtor如何快速响应短路导通,使电源达到安全的低电压。

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  SIDACtor也可以与MOV结合使用,为可能被高钳位电压损坏的电路提供低电压钳位保护(见图4)。MOV的阻抗将瞬变后的最大电流降低至少1/5,这会降低SIDACtor吸收的总瞬时能量,并确保SIDACtor得到保护。该组合的第2个重要优点是漏电流低于MOV自身的漏电流。对于必须满足低功耗标准的产品,在设备处于关闭状态或待机状态时,将其产生的漏电流降至最低,对于最大化电源效率至关重要。

  逆变器(图5)是可以将SIDACtor-MOV组合用于交流电源线浪涌保护的应用。SIDACtor-MOV组合可保护逆变器驱动电路免受差分高压瞬变的影响。当交流电源对零线具有相对较高的阻抗时,并联MOV可防止零线到地线连接中的浪涌。对于由三相交流线路供电的逆变器,建议对三相交流线路的每相使用SIDACtor-MOV组合。这种保护拓扑结构也推荐用于电动汽车、混合动力汽车以及光伏逆变器。

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  有许多不同的元件可提供针对高压瞬变的保护级别。对于交流电源线保护,SIDACtor是市场上最具成本效益的元件。它具有低导通泄流电压,对瞬态事件的快速响应,寿命长以及可承受高浪涌电流的特点。SIDACtor或SIDACtor-MOV的串联组合与保险丝结合使用以提供过流保护,可为产品的电源电路提供出色且简单的保护网络。

  (注:本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第05期第36页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。)



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