选择合适的压敏電(diàn)阻进行过压電(diàn)路保护

2020-06-18

压敏電(diàn)阻，也称為(wèi)金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻（MOV），用(yòng)于保护敏感電(diàn)路免受各种过压条件的影响。本质上，这些依赖電(diàn)压的非線(xiàn)性器件具有(yǒu)类似于背对背齐纳二极管的電(diàn)气特性。

電(diàn)压瞬变压敏電(diàn)阻具有(yǒu)很(hěn)高的耐用(yòng)性，这对于承受反复的高峰值脉冲電(diàn)流和高能(néng)浪涌瞬变至关重要。它们还提供宽電(diàn)压范围，高能(néng)量吸收以及对電(diàn)压瞬变的快速响应。峰值電(diàn)流额定值范围為(wèi)20至70,000 A，而峰值能(néng)量额定值范围為(wèi)0.01至10,000J。

在本文(wén)中，“電(diàn)压瞬变”定义為(wèi)電(diàn)能(néng)的短时電(diàn)涌。在变阻器打算保护的電(diàn)路中，该能(néng)量可(kě)以通过受控的开关动作以可(kě)预测的方式释放，也可(kě)以从外部源随机引入電(diàn)路中。常见来源包括：

雷電(diàn)：实际上，雷電(diàn)引起的瞬变不是直接敲击的结果。雷击会产生磁场，该磁场会在附近的電(diàn)缆中引起较大的瞬变。云间罢工会影响架空電(diàn)缆和地下電(diàn)缆。结果也是不可(kě)预测的：在1英里外发生的罢工会在電(diàn)缆中产生70 V的電(diàn)压，而在160码以外的地方会产生10kV的電(diàn)压。
• 感性负载切换：发電(diàn)机，電(diàn)动机，继電(diàn)器和变压器代表典型的電(diàn)感瞬变源。打开或关闭感应负载会产生高能(néng)量瞬变，随着负载的增加，瞬变强度会增加。当感应负载关闭时，磁场会转换為(wèi)電(diàn)能(néng)，并以双指数瞬态的形式出现。根据不同的来源，这些瞬变可(kě)能(néng)高达数百伏特和数百安培，持续时间為(wèi)400 ms。由于负载大小(xiǎo)的变化，瞬变的波形，持续时间，峰值電(diàn)流和峰值電(diàn)压会发生变化。估算这些变量后，電(diàn)路设计人员将能(néng)够选择合适的抑制器类型。
• 静電(diàn)放電(diàn)（ESD）：这种能(néng)量是物(wù)體(tǐ)之间正负電(diàn)荷不平衡的结果。它的特点是上升时间非常快，峰值電(diàn)压和電(diàn)流很(hěn)高。

压敏電(diàn)阻基础

压敏電(diàn)阻主要由氧化锌（ZnO）球阵列组成，其中ZnO被少量的其他(tā)金属氧化物(wù)（例如铋，钴或锰）改变。在MOV制造过程中，将这些球烧结（融合）到陶瓷半导體(tǐ)中。这产生了晶體(tǐ)的微观结构，使这些器件能(néng)够在其整个體(tǐ)中散发很(hěn)高水平的瞬态能(néng)量。烧结后，将表面金属化，并通过焊接连接引線(xiàn)。

由于MOV的高能(néng)量耗散，它们可(kě)用(yòng)于抑制交流電(diàn)源線(xiàn)应用(yòng)中发现的雷電(diàn)和其他(tā)高能(néng)瞬变。它们具备承受大量能(néng)量的能(néng)力，并将这种潜在的破坏性能(néng)量从位于下游的敏感電(diàn)子设备转移开来。MOV（也用(yòng)于直流電(diàn)路）具有(yǒu)多(duō)种形式（图1）。

1.金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻（MOV）具有(yǒu)各种尺寸和尺寸，可(kě)用(yòng)于广泛的应用(yòng)。径向铅盘类型是最常见的版本

多(duō)层压敏電(diàn)阻

多(duō)层压敏電(diàn)阻（MLV）解决了瞬态電(diàn)压频谱的特定部分(fēn)：電(diàn)路板环境。尽管能(néng)量较低，但来自ESD，電(diàn)感性负载切换甚至雷電(diàn)浪涌残余的瞬变可(kě)能(néng)会到达板上的敏感集成電(diàn)路。MLV也由ZnO材料制成，但它们是由金属電(diàn)极的交织层制成的，并采用(yòng)无铅陶瓷封装生产。当承受超过其额定電(diàn)压额定值的電(diàn)压时，它们被设计為(wèi)从高阻抗状态转换為(wèi)导通状态。

MLV具有(yǒu)各种芯片形式的尺寸，并且能(néng)够根据其尺寸消散大量的浪涌能(néng)量。因此，它们适合于数据線(xiàn)和電(diàn)源瞬态抑制应用(yòng)。

申请指引

為(wèi)特定的过压保护应用(yòng)选择合适的MOV时，電(diàn)路设计人员必须首先确定要保护的電(diàn)路的工作参数，包括：

•浪涌事件期间的電(diàn)路条件，例如峰值電(diàn)压和電(diàn)流
•MOV连续工作電(diàn)压（正常情况下应比最大系统電(diàn)压高20％）
•MOV必须承受的浪涌次数
•可(kě)接受的允许通过電(diàn)压受保护的電(diàn)路
•電(diàn)路必须遵守的任何安全标准

為(wèi)了简单起见，在本示例中，假设目标是针对以下電(diàn)路条件和要求选择低压直流光盘MOV：

•24V直流電(diàn)路
•浪涌電(diàn)流波形為(wèi)8×20μs；電(diàn)压波形為(wèi)1.2×50μs（这是典型的行业标准波形）
•浪涌期间的峰值電(diàn)流= 1000 A
•MOV必须能(néng)够承受40次浪涌
•其他(tā)電(diàn)路组件（控制IC等）必须达到最高承受300 V

步骤1：   要找到MOV的额定電(diàn)压，请留出20％的裕量，以考虑電(diàn)压骤升和電(diàn)源容差：24 V dc×1.2 = 28.8 V dc。鉴于没有(yǒu)压敏電(diàn)阻的電(diàn)压额定值正好為(wèi)28.8 V，请查看数据手册以获取31 V dc MOV的规格。

步骤2：   要确定要使用(yòng)的MOV光盘大小(xiǎo)，请首先确定最小(xiǎo)满足1000-A浪涌要求的MOV系列。检查上表建议使用(yòng)20毫米MOV和31伏直流最大连续额定電(diàn)压（部件号V20E25P）作為(wèi)满足要求的可(kě)能(néng)解决方案。

步骤3：使用(yòng)同一数据表中的脉冲额定曲線(xiàn)（图2）来确定相对于1000A要求下的40个脉冲的脉冲能(néng)力。

2. MOV的数据表将提供脉冲速率曲線(xiàn)；此示例适用(yòng)于20毫米MOV。

步骤4：   使用(yòng)MOV数据表中的VI曲線(xiàn)（图3）来验证泄漏電(diàn)压将小(xiǎo)于300V上限。

3. MOV数据表还将具有(yǒu)電(diàn)压与電(diàn)流的曲線(xiàn)，例如图2中20mm器件的最大钳位電(diàn)压曲線(xiàn)。

保护MOV免受热失控

压敏電(diàn)阻在浪涌事件期间对瞬态能(néng)量的吸收会在组件内产生局部加热，最终导致其退化。如果不加保护，压敏電(diàn)阻的退化会增加发热和热失控。因此，越来越多(duō)的基于压敏電(diàn)阻的電(diàn)涌保护设备提供了内置的热断开功能(néng)。即使在压敏電(diàn)阻寿命终止或持续过電(diàn)压的极端情况下，它也可(kě)提供针对灾难性故障和火灾危险的附加保护。

MOV额定用(yòng)于特定的交流電(diàn)源工作電(diàn)压。通过施加持续的异常过電(diàn)压条件超过这些限制可(kě)能(néng)会导致过热并损坏MOV。

在大浪涌或多(duō)次小(xiǎo)浪涌之后，MOV倾向于逐渐降低。这种退化导致MOV泄漏電(diàn)流增加；反过来，即使在正常条件下（例如120V交流或240V交流工作電(diàn)压），这也会提高MOV的温度。与MOV相邻的热断路（图4）可(kě)用(yòng)于感测MOV温度的升高，同时温度会继续下降到其使用(yòng)寿命终止条件。此时，热断开将断开電(diàn)路，从電(diàn)路中去除降级的MOV，从而防止潜在的灾难性故障。

4.热断开可(kě)以断开電(diàn)路，从而防止MOV降级的灾难性故障

LED驱动器和闪電(diàn)

通常，大多(duō)数LED電(diàn)源是恒定電(diàn)流类型，通常称為(wèi)LED驱动器。这些可(kě)以作為(wèi)包含MOV的现成组件購(gòu)买，以满足较低级别的浪涌要求。

通常，驱动器额定可(kě)承受1到4 kV的電(diàn)涌。压敏電(diàn)阻的直径范围為(wèi)7到14毫米，通常位于交流電(diàn)源上保险丝的下游。但是，為(wèi)在室外安装在裸露的電(diàn)涌环境中的照明设备提供更高级别的電(diàn)涌抗扰性，户外照明OEM可(kě)能(néng)需要在LED驱动器之前在其灯具的交流输入線(xiàn)上添加電(diàn)涌保护设备（SPD）。

MOV设计示例：工业電(diàn)机

交流電(diàn)动机保护的一个方面是電(diàn)动机本身的耐浪涌能(néng)力。NEMA電(diàn)动发電(diàn)机标准MG-1的20.36.4段将電(diàn)涌的单位值定义為(wèi)：u×V L-L（或0.816×V L-L），其中VL-L是交流電(diàn)源系统的線(xiàn)電(diàn)压。

对于0.1到0.2μs的瞬态上升时间，在定子绕组上要求浪涌能(néng)力的单位值是两倍。上升时间达到1.2μs以上时，规定為(wèi)单位值的4.5倍。对于闪電(diàn)等外部瞬变，这相当于在250V高压条件下对于230V電(diàn)动机（满载電(diàn)流= 12A）的918 V PEAK的浪涌電(diàn)压能(néng)力。（雷電(diàn)浪涌可(kě)能(néng)超过这些值，因此定子绕组还需要一个抑制元件来进行保护。）

工作温度是另一个考虑因素。假定该应用(yòng)的环境工作温度范围為(wèi)0至+ 70°C。这将在MOV的-40至+ 85°C额定值范围内，并且不需要在此温度范围内降低浪涌電(diàn)流或能(néng)量的额定值。考虑到高線(xiàn)路容限，可(kě)能(néng)需要275V交流额定MOV在此示例中被选中。使用(yòng)2 hp单相中型電(diàn)动机，MOV所需的浪涌電(diàn)流额定值将由電(diàn)动机電(diàn)源处感应的峰值電(diàn)流确定。假设電(diàn)机的维修地点和2Ω的線(xiàn)路阻抗，则确定可(kě)能(néng)产生3 kA的雷電(diàn)浪涌。
在这种情况下，一个数据表指示在900 V时最大钳位電(diàn)压為(wèi)3 kA，低于建议的918-V定子绕组耐压能(néng)力。如果電(diàn)动机的使用(yòng)寿命估计為(wèi)20年，并指定為(wèi)在使用(yòng)期内能(néng)够承受80次雷電(diàn)瞬变，则数据表脉冲额定值曲線(xiàn)将验证100次以上電(diàn)涌的额定值。