一种新(xīn)型交流電(diàn)源線(xiàn)保护電(diàn)路设计

2022-06-09

一种新(xīn)型交流電(diàn)源線(xiàn)保护電(diàn)路设计

交流電(diàn)源線(xiàn)的过压保护是一种常见的做法，其中包括各种保护電(diàn)路解决方案。大多(duō)数设计都是成本驱动的，并且往往只使用(yòng)最低限度的保护策略。每年售出数十亿台低成本金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻(MOV)器件以满足这些需求。对于需要最大限度减少保修退货或满足其他(tā)产品線(xiàn)成本问题的保护方案的其他(tā)设计，可(kě)以使用(yòng)将气體(tǐ)放電(diàn)管和MOV组合成单封装解决方案的新(xīn)型混合器件以及功率瞬态電(diàn)压抑制器(TVS)二极管。这些器件提供增强的保护功能(néng)，从而提供更高的可(kě)靠性。在许多(duō)情况下，较高的初始成本将被售后维护和保修节省所抵消。

还有(yǒu)一类应用(yòng)程序，其中不能(néng)选择失败。在许多(duō)此类应用(yòng)中，维修或更换成本是由访问设备的成本驱动的，而不是设备本身的价值。示例包括塔式和杆式灯、标牌、摄像头和通信设备。在其他(tā)应用(yòng)中，根本不能(néng)容忍设备故障。这些可(kě)能(néng)包括紧急通信、军事和医疗设备、关键的 5G微微蜂窝和安全系统。

電(diàn)压钳陷阱

電(diàn)路保护设计人员必须确保输入電(diàn)压浪涌不会超过交流输入组件的额定電(diàn)压。几乎所有(yǒu)传统的交流電(diàn)源線(xiàn)过压保护策略都使用(yòng)電(diàn)压钳位装置。无论采用(yòng)何种核心技术，電(diàn)压钳位对浪涌電(diàn)流的抵抗力虽小(xiǎo)但真实，这意味着更高的浪涌電(diàn)流将驱动更高的允通钳位電(diàn)压。（图 1 显示了典型MOV器件的特性。）这意味着总会存在一定程度的浪涌電(diàn)流，这可(kě)能(néng)会导致损坏钳位電(diàn)压。

图 1：典型的10-mm MOV電(diàn)压-電(diàn)流特性曲線(xiàn)。

趋势是选择低压额定值以产生最低钳位電(diàn)压。但是，保护装置绝不能(néng)在正常電(diàn)源線(xiàn)電(diàn)压变化期间导通，这种变化可(kě)能(néng)超过線(xiàn)電(diàn)压的20%。在连续导通模式下运行基本上确保了保护组件的破坏，因為(wèi)这些组件传统上仅针对瞬态条件进行额定。

这些相互竞争的要求对设计人员提出了真正的挑战。在关键应用(yòng)中，解决方案通常是选择额定電(diàn)压非常高的線(xiàn)路输入组件，而这些保护组件的成本相应增加。

救援電(diàn)子限流器

電(diàn)子限流器(ECL)在检测通过電(diàn)流的两端双向集成電(diàn)路中使用(yòng)耗尽型（通常為(wèi)“导通”）MOSFET。当電(diàn)流超过额定跳闸電(diàn)流时，这些设备可(kě)以在大约一微秒(miǎo)内“关闭”。一旦跳闸，内部FET器件将保持“关闭”状态，直到下一次電(diàn)压过零，此时它会恢复到低電(diàn)阻“开启”状态。在“关闭”状态下，ECL可(kě)以承受几百伏的電(diàn)压。

如果ECL（例如 Bourns TBU 高速保护器(HSP) 瞬态阻断单元器件）与小(xiǎo)型TVS二极管（见图 2）耦合，则当超过 TVS 阈值電(diàn)压时，TVS 器件开始导通。这会导致電(diàn)流流入 TVS 设备，进而使 ECL 跳闸。此操作会在 TVS 击穿電(diàn)压下精确地将受保护電(diàn)路与交流電(diàn)源断开。该保护電(diàn)压水平与浪涌電(diàn)压的大小(xiǎo)无关。

图 2 显示了使用(yòng) ECL 和 TVS 器件组合的典型保护電(diàn)路。

对下游 AC 输入组件实施这种精确且有(yǒu)保证的電(diàn)压限制，使保护设计人员可(kě)以最大限度地降低这些组件的额定電(diàn)压，从而在确保有(yǒu)效保护的同时节省成本。

负载过流保护

ECL 也可(kě)能(néng)因流向受保护電(diàn)路的过大電(diàn)流而跳闸。这可(kě)能(néng)是由受保护電(diàn)路中的故障（不是由过压事件引起）引起的，该故障可(kě)能(néng)是永久性的，也可(kě)能(néng)是暂时的。在这种情况下，ECL 充当自动复位線(xiàn)路保险丝。只要故障持续存在，ECL 就会在交流输入電(diàn)压的每半个周期跳闸，防止过多(duō)的功率流向下游。

ECL 还可(kě)以用(yòng)作软启动控制器，限制電(diàn)源启动期间的峰值浪涌電(diàn)流，从而减少整流二极管、滤波電(diàn)容器和其他(tā)交流输入组件的压力。

電(diàn)压骤升保护

如果交流输入電(diàn)压膨胀达到危险水平，TVS 二极管将开始导通，就像它在瞬态事件期间一样，防止超过设计限制的電(diàn)压到达受保护電(diàn)路。只要電(diàn)压骤升事件持续存在，这可(kě)能(néng)每半个周期发生一次。由于 ECL 在超过電(diàn)压限值之前一直处于完全导通状态，因此仍允许電(diàn)流流向受保护電(diàn)路。在许多(duō)情况下，受保护電(diàn)路将在 ECL 设备关闭之前的每个半周期内消耗足够的功率，以允许应用(yòng)程序继续正常运行。一旦浪涌条件结束，ECL 将保持“开启”状态，直到下一次交流浪涌或瞬态事件发生。

与简单的電(diàn)压钳位保护電(diàn)路不同，该電(diàn)路不仅可(kě)以承受交流線(xiàn)路電(diàn)压的升高，还可(kě)以保护下游组件免受更高電(diàn)压的影响。在许多(duō)情况下，这种電(diàn)路设计方法甚至允许应用(yòng)程序在電(diàn)压骤升事件期间正常运行。

管理(lǐ)初级过压

上述電(diàn)路有(yǒu)效地管理(lǐ)传送到受保护電(diàn)路的電(diàn)压和電(diàn)流。然而，还需要考虑“初级保护”，这意味着保护 ECL 器件免受超过数据表限制的電(diàn)压的影响，而不会干扰 ECL + TVS 器件组合提供的保护。

过压事件的另一个来源是 ECL 本身的触发。当由非常常见的感应電(diàn)源供電(diàn)时，電(diàn)流的突然中断会导致電(diàn)感（变压器、扼流圈等）输出端的输入電(diàn)压出现尖峰，以保持電(diàn)流的连续流动。这些峰值通常持续时间不長(cháng)，但如果不加以管理(lǐ)，它们确实会对 ECL 构成威胁。

例如，可(kě)以选择额定承受 850 V 的 Bourns TBU HSP 用(yòng)于交流電(diàn)力線(xiàn)服務(wù)，从而设置最大钳位電(diàn)压。TVS 击穿電(diàn)压设置初级保护击穿電(diàn)压的下限。使用(yòng)这种组合方法有(yǒu)助于确保初级保护在可(kě)接受的電(diàn)压水平下处于非活动状态，同时仍為(wèi) ECL 器件提供所需的保护。

功率损耗管理(lǐ)

应考虑 ECL 中的功率损耗。例如，為(wèi)保护消耗 100 W 且功率因数為(wèi) 0.8 的 125-VAC 应用(yòng)而部署的 ECL 将具有(yǒu) 100 ÷ 125 ÷ 0.8 = 1 Arms 的输入電(diàn)流。使用(yòng) 3-Ω ECL 设备会导致 3-W 功率损耗。当然，没有(yǒu)人希望在他(tā)们的保护方案中看到 3% 的功率损耗，但在“故障不是一种选择”的应用(yòng)中，这可(kě)能(néng)是可(kě)以容忍的。（请注意，240 VAC 应用(yòng)将有(yǒu)一半的電(diàn)流和四分(fēn)之一的损耗。）

图 3 显示了為(wèi)上述场景设计的该電(diàn)路的实现。首先选择 TVS 二极管以承受 125 VAC 以上 15% 的電(diàn)压膨胀，其峰值電(diàn)压為(wèi) 125 × √2 × 1.15 = 203 V。

图 3：对于该電(diàn)路，Bourns 型号 SMCJ180CA TVS 二极管是一个不错的选择，其击穿電(diàn)压介于 201 和 222 V 之间。通过四个并联 Bourns TBU HSP 型号 TBU-CA085-500- 可(kě)以实现所需的 3-Ω ECL 電(diàn)阻WH 设备，导致约 2 A 的跳闸電(diàn)流。单击以获得更大的图像。

图 4：使用(yòng) Bourns 型号 CVQ175K20 MOV 器件的规定过压保护（绿色箭头）。在高达 10,000 A（紫線(xiàn)）的浪涌事件期间，该解决方案将保持電(diàn)压遠(yuǎn)低于 800 V（红線(xiàn)）。点击查看大图。

有(yǒu)信心的保护

使用(yòng)本文(wén)介绍的新(xīn)型電(diàn)路保护设计中的组件类型，让设计工程师有(yǒu)信心保护其基于 AC 電(diàn)源線(xiàn)的应用(yòng)，使其能(néng)够承受几乎任何可(kě)以想象的实际線(xiàn)路電(diàn)压骤升或浪涌。