淺析電涌產(chǎn)生及電涌保護(hù)

萬(wàn)軍令 姜學(xué)智 徐宏磊 董瀘鍇 方 政 潘 偉 薛汝和

摘要:隨著微電子技術(shù)快速發(fā)展,半導(dǎo)體器件集成化不斷提高,元件間距在減小,半導(dǎo)體厚度在變薄。電子設(shè)備受到瞬態(tài)過(guò)電壓破壞的可能性越來(lái)越大。外部電涌和內(nèi)部電涌過(guò)電壓成為電子設(shè)備損壞和工作中斷的主要因素。文章論述了電涌的產(chǎn)生及電涌保護(hù)。

關(guān)鍵詞:電涌;電涌保護(hù)器;保護(hù)模式;MOV構(gòu)成;MOV的指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào):TM862文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0181-02

隨著微電子技術(shù)迅速發(fā)展,半體器件集成化不斷提高,元件間距減小,半導(dǎo)體厚度變薄。電子設(shè)備受到瞬態(tài)過(guò)電壓破壞的可能性越來(lái)越大。外部電涌和內(nèi)部電涌過(guò)電壓成為電子設(shè)備損壞和工作中斷的主要因素。為保證精密電子設(shè)備系統(tǒng)能正常工作,要求對(duì)電涌防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)更合理,同時(shí)應(yīng)選擇合格的電涌保護(hù)器。

一、電涌的產(chǎn)生

電涌是瞬態(tài)過(guò)電壓,在電路中出現(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓波動(dòng),在電路中通常持續(xù)時(shí)間僅有百萬(wàn)分之一秒。電涌是微秒量級(jí)異常大電流脈沖,波頭時(shí)間一般在0.25～20μs,單位能量一般在2.5～10MJ/Ω。電涌的來(lái)源有兩類(lèi):外部電涌和內(nèi)部電涌。外部電涌主要來(lái)源于雷電,內(nèi)部電涌是供電網(wǎng)中開(kāi)關(guān)操作在電力線(xiàn)路上產(chǎn)生的過(guò)電壓。

雷電是導(dǎo)致電涌最明顯的因素,雷電擊中輸電線(xiàn)路導(dǎo)致巨大的過(guò)電壓,一次普通閃電電壓可達(dá)到3～200百萬(wàn)V,電流為2000～3000A。內(nèi)部電涌在低壓電源線(xiàn)上絕大部分(88%)產(chǎn)生于內(nèi)部用電設(shè)備的開(kāi)啟。 電涌產(chǎn)生的高電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)和其它微電子設(shè)備承受的電壓水平,造成計(jì)算機(jī)等電器設(shè)備芯片損壞,部件老化,造成電子設(shè)備損壞,對(duì)生產(chǎn)生活造成極大危害。

二、電涌防護(hù)原理

(一)電涌防護(hù)最常見(jiàn)方式

電涌防護(hù)最常見(jiàn)方式是利用浪涌保護(hù)器(Surge protection Device),又稱(chēng)為 “電涌保護(hù)器”、“防雷器”或“過(guò)電壓保護(hù)器”,英文簡(jiǎn)寫(xiě)為SPD。電涌保護(hù)器的作用是把串入電力線(xiàn)、信號(hào)傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi),將強(qiáng)大的電流泄流入地,保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)不受高電壓沖擊損壞。電涌保護(hù)器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同,但至少包含一個(gè)非線(xiàn)性電壓限制元件。常用電涌保護(hù)器有MOV(Metal Oxide Varistor)同氣體放電管等。

電涌包含強(qiáng)大的能量因此不能被阻止?；谶@種原因,保護(hù)敏感電氣設(shè)備免受電涌損壞的策略是把電涌從設(shè)備分流后流入大地。

(二)浪涌保護(hù)器MOV由三部分組成

中間是一根金屬氧化物材料,由兩個(gè)半導(dǎo)體連接著電源和地線(xiàn)。當(dāng)產(chǎn)生浪涌時(shí)MOV立即動(dòng)作,響應(yīng)時(shí)間為1～3毫微秒。MOV中的“V”是變阻器,在響應(yīng)的一瞬間,MOV的電阻從最大值降到近乎零歐姆,過(guò)電流經(jīng)MOV流入大地。被保護(hù)電氣設(shè)備繼續(xù)在正常工作電壓下運(yùn)行。其半導(dǎo)體元件具有隨電壓變化而改變電阻的性質(zhì)。當(dāng)電壓低于某個(gè)特定值時(shí),半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高電阻。反之,當(dāng)電壓超過(guò)該特定值時(shí),電子運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化,半導(dǎo)體電阻降低接近零歐姆。電壓正常,浪涌保護(hù)器MOV閑在一旁,不影響電力線(xiàn)路。

(三)評(píng)價(jià)浪涌保護(hù)器MOV優(yōu)劣的指標(biāo)

1.箝位電壓:表示將導(dǎo)致MOV接通地線(xiàn)的電壓值。箝位電壓越低,表示保護(hù)性能越好。

2.能量吸收/耗散能力:此標(biāo)稱(chēng)值表示浪涌保護(hù)器在燒毀前能夠吸收多少能量,單位為焦耳。其數(shù)值越高,保護(hù)性能就越好。

3.響應(yīng)時(shí)間:浪涌保護(hù)器不會(huì)立刻斷開(kāi),它們對(duì)電涌做出響應(yīng)會(huì)有略微的延遲。

(四)氣體放電管

另一種常見(jiàn)的浪涌保護(hù)裝置是氣體放電管。這些氣體放電管作用與MOV相同 ,它們將多余電流從火線(xiàn)移到地線(xiàn),通過(guò)在兩根電線(xiàn)之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此功能。 當(dāng)電壓處于某一特定范圍時(shí),該氣體的組成決定了它是不良導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過(guò)這一范圍,電流的強(qiáng)度將足以使氣體電離,從而使氣體放電管成為非常良好的導(dǎo)體。它會(huì)將電流傳導(dǎo)至地線(xiàn),直到電壓恢復(fù)正常水平,隨后又會(huì)成為不良導(dǎo)體。

三、浪涌保護(hù)器(SPD)保護(hù)模式

SPD可連接在L、N、PE間,這些連接方式稱(chēng)為保護(hù)模式,它們與供電系統(tǒng)接地方式有關(guān)?！兜蛪号潆娫O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,供電系統(tǒng)接地分為:TN-S系統(tǒng)(三相五線(xiàn))、TN-C系統(tǒng)(三相四線(xiàn))TN-C-S 系統(tǒng)(由三相四線(xiàn)改為三相五線(xiàn))、IT系統(tǒng)(三相三線(xiàn))和TT系統(tǒng)(三相四線(xiàn))。

目前,浪涌保護(hù)器的保護(hù)模式大部分是4模式保護(hù)(L-PE,N-PE),即三根火線(xiàn)分別與保護(hù)線(xiàn),中性線(xiàn)與保護(hù)線(xiàn)連接。如圖1所示。還有是全模式(L-L、L-N、L-PE、N-PE),即三根火線(xiàn)之間,三根火線(xiàn)分別與保護(hù)線(xiàn),三根火線(xiàn)分別與中性線(xiàn),中性線(xiàn)與保護(hù)線(xiàn)。全模式最多有10模式,常用的3相星形接地方式中就是10模式。如圖2所示:

模式保護(hù)器是4個(gè)單片組合在一起,它沒(méi)有對(duì)浪涌電流經(jīng)過(guò)的所有可能的線(xiàn)路都進(jìn)行保護(hù),如火線(xiàn)—火線(xiàn)之間,火線(xiàn)—中性線(xiàn)。4模式的浪涌保護(hù)器有可能使SPD電壓保護(hù)水平失真,保護(hù)水平較差。會(huì)造成三種情況:電壓抑制水平失真;響應(yīng)時(shí)間不匹配;續(xù)流問(wèn)題存在安全隱患。

全模式保護(hù)三根火線(xiàn)通過(guò)浪涌抑制元件分別與中性線(xiàn)相連,三根火線(xiàn)通過(guò)浪涌抑制元件分別與保護(hù)線(xiàn)相連,中性線(xiàn)通過(guò)浪涌抑制元件分別與保護(hù)線(xiàn)相連,三根火線(xiàn)通過(guò)浪涌抑制元件分別相連,全模式下對(duì)浪涌電流經(jīng)過(guò)的所有線(xiàn)路都進(jìn)行了保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)有:全模式的浪涌保護(hù)設(shè)備對(duì)浪涌電流經(jīng)過(guò)的所有可能的線(xiàn)路都進(jìn)行了保護(hù);有利于對(duì)電網(wǎng)與浪涌保護(hù)器本身的防護(hù);不會(huì)出現(xiàn)電壓保護(hù)水平失真和元件響應(yīng)時(shí)間不匹配的問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電涌產(chǎn)生,電涌保護(hù)器的作用及電涌保護(hù)器接線(xiàn),使我們?cè)谌粘９ぷ鲗W(xué)習(xí)中免受電涌的危害,提高用電設(shè)備使用壽命。

作者簡(jiǎn)介:萬(wàn)軍令(1976-),男,山東萊州人,山東黃金集團(tuán)三山島金礦電氣工程師,研究方向:電氣自動(dòng)化與機(jī)械一體化。