MOV
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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)
滿足持續過電壓保護要求 混合式MOV/GDT方案更可靠
我們可以從保護解決方案的可靠性和穩健性以及使解決方案適應不同要求的靈活性等角度來檢視這項問題，同時盡可能減少變數。若要實現更高密度和更高性能的設計，解決所有電路保護問題可能具有挑戰性。對此，突波保護元件標準SPD UL 1449規範了授權要求。然而，目前尚無一體適用的解決方案。
本文將研究傳統金屬氧化物壓敏電阻(MOV)元件的使用及其在各種情況下的性能和故障模式。然後，將展示一種創新的元件混合解決方案，以解決一些MOV缺點，並在各項應用中實現更大的彈性。
MOV具高電流處理/吸收能力
MOV是一種徑向引線壓敏電阻元件，其可提供雙向保護，並防止如雷電、電源接觸和電源感應造成的過電壓瞬變。MOV具有極高的電流處理和吸收的能力，並有快速的反應時間，可防止瞬態故障達到額定極限。電源、電源系統、線路電壓、電信系統、白色家電(大型家電)和電器是通常使用MOV進行保護的各項應用。
雖然新型MOV本身就是一種出色的瞬態過電壓解決方案，但隨著時間的推移，它會因暴露於線路電壓瞬變而逐步退化。MOV退化和故障模式已有詳細記錄，UL需要進行大量測試以防止有害的故障模式。基本上，隨著元件老化，其最大連續工作電壓也會跟著降低。在經歷長期過電壓暴露的MOV中，其正常故障模式是過度洩漏導致功率耗散，並最終導致過熱情形。雷擊保護過程、時間和溫度都會導致洩漏電流增加，這會因瓦特損耗加熱而導致應用損壞。
鑑於MOV故障的熱性質，一些開發人員指定了過熱保護的MOV來防止過電壓威脅，過熱保護的MOV在交流電源保護中尤為常見。在過度洩漏和功耗開始時，過熱保護MOV中的溫度保險絲可在某些升高但安全的溫度下斷開MOV與電源的連接，以防止MOV燃燒或著火。然而，過熱保護MOV並非旨在防止驅動功耗的洩漏電流，其可用於制止非常危險的故障模式。大多數過熱保護MOV溫度保險絲僅在UL 1449限制電流異常過電壓測試中進行10A測試，此類MOV溫度保險絲可能無法實際使用在提供超過100A的交流電路。
此外，成功切斷電源線的過熱保護MOV將不再保護設備。一些過熱保護的MOV具有可用於感測斷開的指示引線。最重要的是，相關的偵測電路增加了保護方案的成本，卻沒有實際增加過壓保護。
電路設計人員亦可藉由透過簡單地選擇電壓額定值遠高於該應用正常工作電壓的MOV來降低「熱事件」發生的可能性。這確實能減輕MOV的壓力，並減緩其老化過程。然而，更高的額定電壓也表示，MOV的箝位電壓會高出許多，這可能迫使設計人員選擇額定電壓較高(和更昂貴)的產品，因其必須在突波事件中耐受較高的電壓。
GMOV解決方案提供更低漏電流
在觀察到單一MOV、過熱保護MOV和更高額定電壓MOV的缺點後，業者設計了一種有效且可靠的替代解決方案。舉例來說，美商柏恩(Bourns)為幫助減少零件數量並提供節省空間的元件，開發出可以解決這兩種問題的混合式GMOV解決方案。
GMOV元件整合了Bourns FLAT技術的氣體放電管(GDT)，以及高品質的常規MOV。這兩款元件採用熟悉的標準MOV徑向封裝，因此可為類似額定值的MOV提供直接的替代選項。
MOV和GDT的創新組合可在MOV的使用期間提供更低的漏電流以及可避免高溫老化的誤導通失效模式。在正常工作條件下，線路電壓主要出現在極低洩漏的GDT上。這會將MOV與交流線路斷開，並保護MOV免受小瞬態的影響，對受保護的設備不構成威脅，否則只能使MOV 老化。在突波事件期間，GDT可快速(在不到一微秒內)接通並將MOV連接到線路上，以將突波電壓箝位抑制到可接受的水平。一旦突波結束，線路電壓就會低於MOV導通電壓，關閉GDT。當GDT關閉，就會像以前一樣將MOV從線路上斷開。GMOV元件的功能是一種非常特殊的「共生」關係。其中，GDT和MOV將一起運作，以提供長期有效的保護。
GDT讓MOV保持待命
將GDT與MOV結合並不會影響訊號或系統運作。GDT的低電容可確保GMOV元件不會干擾在交流或直流電源線上運行的高速資料。電源供應、電源系統、線路電壓、電信系統、電線通訊以及白色家電(大型家用電器)和電器等應用，均可受益於GMOV元件的更長使用壽命和可靠性。
UL 1449漏電測試證明了採用GMOV元件的混合方法有其價值。以Bourns 1251和1252系列為例，是兩個符合UL 1449的交流SPD，採用了MOV和GDT各自技術組合而成，具有快速的反應性能和低洩漏，並可提供50kA(8/20µs)的過壓保護。透過GMOV元件，將UL 1449授權的專業知識與經過驗證的元件相結合，採用標準尺寸MOV封裝，以節省寶貴的電路板空間。
使用符合UL 1449的GMOV元件有助於在產品開發的設計和認證階段節省時間和成本，其可消除尋找各自零件正確組合的猜測時間和成本。將不需要指示電路及其相關成本，因為MOV和GDT的組合不需使用溫度保險絲或斷開線路。
隨著時間的推移，線路多次暴露於不規則突波會降低電路的保護效率。部分應用無法容忍與某些保護方案相關的洩漏電流。Bourns GMOV元件的穩固性與其較低的洩漏電流和電容相結合，可提供優於其他類型保護解決方案的應用優勢。
在Energy Star的應用中，降低洩漏電流也很有吸引力，特別是在存在電壓壓力的情況下。降低洩漏電流和GDT的恆定電容可使其成為電力線通訊的最佳選擇。除此之外，使用GMOV元件實現的電容水平優勢，可讓電力線通訊獲得極高的資料速率。
選擇GMOV元件，實際上與傳統MOV的選擇過程相同。事實上，設計師們皆非常熟悉零件編號系統。最大連續工作電壓(MCOV)額定值可直接編碼為數字。此外，由MOV直徑決定的突波處理能力也與標準MOV零件編號一樣。
就實體而言，GMOV元件比傳統MOV稍厚一些(約2毫米)。在大多數通孔PCB應用中，GMOV元件可視為傳統MOV的直接替代品。
在電壓瞬變的情況下，我們需要堅固、低洩漏的前端保護解決方案。目前，許多設計都採用MOV和GDT的各別組合。其可提供更高可靠性，並具有低洩漏、節能、低電容和延長壽命等附加優勢。
各種解決方案的性能，如表1所示。275V MOV具有良好的性能，但其洩漏電流增加，且30%的電壓驟升反應可能會影響某些應用。MOV和GDT的組合，可提供出色的性能，惟須使用正確的GDT。若需在性能和成本之間妥協，則應考慮各項結果。
Bourns推出GMOV系列過電壓保護元件
Bourns推出了GMOV系列過電壓保護元件。Bourns創新的混合設計將自家專利且節省空間的FLAT技術氣體放電管(GDT)與金屬氧化物壓敏電阻(MOV)相結合，創造出精巧且增強的過壓保護器，該元件將可直接替代標準14和20 mm MOV。
Bourns新型GMOV系列是一種增強型保護解決方案，有助於克服在瞬態浪湧或臨時過電壓超過其最大額定值的單獨MOV可能發生的損害和災難性故障。GDT用於將MOV與線路電壓隔離，因此保持隨時待命，而暫不持續運轉，從而使其免受瞬態和臨時過壓尖峰的影響，這些尖峰通常會隨著時間的推移而損壞MOV。結合這兩種技術的另一個顯著優勢是GMOV具有超低漏電流(<0.1μA)，有助於消除漏電流造成的發熱損壞。這樣的結果是待機能耗幾乎為零的更高可靠性保護解決方案。
過壓保護元件可以防止不穩定電力系統開關切換或是雷擊突波造成系統損壞。MOV是目前普遍的過壓保護元件，但在惡劣和不受控制的環境中應用，它們容易出現退化和故障的問題。熱失控狀態可能導致失效，因此也決定了MOV的壽命，熱失控還可能使MOV增加風險成為火災隱患，因此在設計上通常需要額外的保險絲或熱切斷裝置以確保安全。
Bourns GMOV元件透過提供可預測的故障模式，具成本效益地提高了應用可靠性，此消除了對指示電路和昂貴的熱保護MOV元件的需求。另一個優點是GMOV保護器有助於消除對更昂貴和更高性能的MOV的需求，以滿足UL1449漏電測試。最重要的是，與單獨的MOV相比，GMOV元件提供了更高的安全性和更長使用壽命的過電壓保護，以應對額外電壓危害。
Bourns GMOV元件現已上市，提供14和20 mm版本，最大連續工作電壓額定值為45 Vrms~320 Vrms。14 mm的最大浪湧電流額定值為6 kA，而20 mm的最大浪湧電流額定值為10 kA。Bourns GMOV系列已通過UL 1449 Type 5認證，且符合RoHS標準。