確保產品滿足電源線瞬變的可靠性是設計的關鍵，這在產品設計過程中通常不會引起適當的關注。雖然由於高壓瞬變而導致的產品故障是外部事件，但該故障是由於設計不足以保護產品的內部電路而引起的。因此，電源線浪湧保護是確保堅固耐用的交流電源設備必不可少的要素。
浪湧保護設計防止電源產生高壓瞬變
高壓瞬變的潛在來源是天氣條件。雷電會在電源線上引起高壓和浪湧電流。由施工錯誤或交通事故引起的電源線損壞也可能導致較大的瞬變。即使沒有問題，由於高負載例如大電流負載(例如大型電動機)的掉電或斷電而引起的di/dt電流減小，也會在電源線上產生瞬變。瞬態峰值也可能是流過零線上高於正常阻抗的電流，或三相電力系統上的單相故障引起。
高壓瞬變會損壞產品，進而導致保修期內的維修失敗和客戶的不滿意。對客戶來說，解決問題可能將招致昂貴的花費；而製造商則可能會因客戶的失望導致未來業務的潛在損失。
浪湧保護是保護產品免受高壓瞬變損害的方法。瞬變可能會導致資料傳輸中的間歇性錯誤或產品永久損壞。幸運的是，有可用的元件可提供針對高壓瞬變的保護。
電源線浪湧保護設計有多種選擇，設計工程師應瞭解每種選擇的優缺點。包括過電壓保護元件，例如金屬氧化物電阻(MOV)、瞬態電壓抑制(TVS)二極體、氣體放電管(GDT)以及用於交流電的保護晶閘管或矽二極體(SIDAC)。電路保護元件製造商如Littelfuse，便生產一款產品SIDACtor。TVS二極體和MOV是鉗位型元件，而GDT和保護晶閘管是泄流型元件。在此應用中，鉗位定義為當超過元件的過電壓臨界值時，將元件兩端的電壓保持在基本穩定的水準；泄流是指超過元件的過電壓臨界值時，將電壓限制在較小的數值。泄流元件像數位開關一樣，可有效回應過壓而導通。
鉗位型元件具有更快的回應時間，但其電流處理能力有限。這些元件還具有與傳導電流有關的鉗位元電壓。當兩個元件都處於過電壓保護狀態時，由於鉗位元電壓高於泄流保護元件的保持電壓，因此對於高壓瞬變，鉗位元件的導通峰值電流較低。
泄流半導體元件降低電壓
泄流型元件可以處理更高的浪湧電流，因為當元件切換到導通狀態時，鉗位元電壓非常低。接近短路的條件將瞬態能量從產品電路中分流出去。泄流元件提供產品電路的低電壓，進一步降低了產品的壓力。
MOV和TVS元件是鉗位型保護元件，可以處理高峰值電流。MOV可以承受高達70kA的瞬態電流峰值。它們是低成本的保護元件，但它們確實具有較高截止漏電流的缺點。TVS元件不具有MOV的峰值電流容量，但具有較低的通態鉗位元電壓；而TVS元件的使用壽命比MOV元件更長，因為MOV元件會由於持續的過電壓條件而退化，進而導致元件的過度散熱。與泄流型元件相比，MOV和TVS元件均具有更高的寄生電容，當遭受高dv/dt或高di/dt瞬變時，將產生高過衝電壓。
至於GDT和SIDACtor這兩個鉗位型元件有很大的不同。當達到臨界值電壓時，GDT依靠氣體分解(Breakdown)並傳導電流；而SIDACtor是半導體元件。與MOV相似，GDT的壽命有限，這取決於氣體被電離和傳導的次數。在氣體被離子化後，會被吸附在電極上。GDT可以承受較大的峰值電流，但回應時間比SIDACtor慢得多，且無法阻止較窄的高壓瞬態脈衝到產品。
在以上四種浪湧保護元件中，SIDACtor具有交流電源線保護較佳的特性組合。它具有較長的壽命，而不受元件承受的高壓瞬變次數的影響，同時具低導通狀態泄流電壓電平和快速導通的特性。對於高dv/dt或高di/dt浪湧，它的過衝電壓最小，和低截止漏電流。表1則針對四種保護元件進行比較。
圖1顯示了SIDACtor的特性曲線。在低於最大截止狀態電壓VDRM時，其具有低漏電流IDRM。漏電流約為幾微安培。當電壓達到元件的峰值擊穿電壓VS時，元件打開並切換到低保持電壓VT。由於元件上的電壓在低電壓下短路，可以支援較大的瞬態電流，能處理5000A峰值浪湧電流的該元件被封裝在一個標準的TO-218封裝中，便於印刷電路板的布局。
幸運的是，元件被完全保護而不受高壓瞬變的影響，僅需幾個元件。圖2顯示了用於保護產品電源電路的三元件解決方案。將SIDACtor與電源電路並聯，以提供針對交流電源線上瞬變的保護。由於與電源電路並聯，因此當交流線上沒有高壓瞬變時，該元件對產品的性能沒有影響；其具有低漏電流，在額定交流電源線電壓下僅消耗毫瓦的功率，而與其串聯的保險絲保護元件，使其免於一個或多個完整交流週期的電流浪湧影響。串聯保險絲為電源電路提供傳統的過電流保護；串聯保險絲放置在該元件電路後面，以保護保險絲免受高壓瞬變的影響。這個三元件網路為電源電路提供了過壓和過流保護。
圖3顯示SIDACtor對交流線路瞬變的快速回應。黑色曲線是電壓瞬變產生的高電流波形。灰線表示該元件如何快速回應短路導通，使電源達到安全的低電壓。
結合MOV護逆變器 降低高壓瞬變影響
此外，也可以將元件與MOV結合使用，為可能被高鉗位元電壓損壞的電路提供低電壓鉗位元保護(圖4)。MOV的阻抗將瞬變後的最大電流降低至少五分之一，這會降低該元件吸收的總暫態能量，並確保其受到保護(圖5)；該組合的第二個重要優點是漏電流低於MOV自身的漏電流。對於必須滿足低功耗標準的產品，在設備處於關閉狀態或待機狀態時，如何將其產生的漏電流降至最低，對於電源效率最大化至關重要。
逆變器(圖6)是可以將SIDACtor-MOV組合用於交流電源線浪湧保護的應用。該組合可保護逆變器驅動電路，使其免受差分高壓瞬變的影響。當交流電源對零線具有相對較高的阻抗時，並聯MOV可防止零線到地線連接中的浪湧。針對由三相交流線路供電的逆變器，建議對三相交流線路的每相使用SIDACtor-MOV組合。這種保護拓撲結構也推薦用於電動汽車、混合動力汽車以及光伏逆變器。
有許多不同的元件可提供針對高壓瞬變的保護級別。對於交流電源線的保護，SIDACtor是較具成本效益的元件，它具有低導通泄流電壓、對瞬態事件的快速回應、壽命長，以及可承受高浪湧電流的特點。若將該元件或SIDACtor-MOV的串聯組合與保險絲結合使用，以提供過流保護，將可為產品的電源電路提供良好且簡單的保護網路。
(本文作者皆任職於Littelfuse，Teddy To為資深技術行銷經理；Walt Tian為技術支援經理；Andy Xu為資深技術支援工程師)
