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浪湧保護

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新型矽二極體元件護體 AC電源設備無懼高壓瞬變

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。 圖1 SIDACtor I-V曲線,為具有關閉狀態和開啟狀態的雙極型元件 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2 保護網路使用一個用於高壓瞬變保護的SIDACtor、一個用於保護其免受持續過電壓狀態影響的保險絲,以及一個用於保護電源電路,免受過電流狀態影響的保險絲 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。 圖3 SIDACtor對高壓瞬變引起的電流浪湧(黑色軌跡)的回應(灰色軌跡) 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。 圖4 保護網路與MOV串聯,保險絲則提供過電流保護 圖5 SIDACtor-MOV系列組合將3kA浪湧的瞬變限制為僅43.2A(灰色軌跡);黑色軌跡顯示MOV鉗位元的瞬態電壓 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。 圖6 電源逆變器電路的推薦保護網路包括用於線對線保護的串聯MOV和SIDACtor以及用於線對地保護的MOV對 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)  
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Bourns推出兩款緊湊/薄型TVS二極體系列

Bourns電子元件製造供應商近日推出兩款新型TVS二極體浪湧保護系列,滿足現今高度集成、高功率密度設計所需的元件小型化。Bourns SMF4L和SMF4L-Q系列採用緊湊、薄型表面貼裝SOD-123FL封裝,比Bourns上一代SMAJ系列TVS二極體小50%,高度僅1.125mm。 Bourns針對數據線、直流電源以及各種電信、電腦、工業和消費電子應用,優化了此高可靠性ESD和電壓瞬變保護元件,這兩個產品系列均具有12~58伏特的反向工作電壓,在10/1000μs時峰值脈衝功耗為400瓦。此外,SMF4L-Q系列符合AEC-Q101規範,非常適合在某些更具挑戰性環境中所使用的設備。
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