選擇合適的壓敏電阻進(jìn)行過(guò)壓電路保護

2020-06-18

壓敏電阻，也稱(chēng)為金屬氧化物壓敏電阻（MOV），用于保護敏感電路免受各種過(guò)壓條件的影響。本質(zhì)上，這些依賴(lài)電壓的非線(xiàn)性器件具有類(lèi)似于背對背齊納二極管的電氣特性。

電壓瞬變壓敏電阻具有很高的耐用性，這對于承受反復的高峰值脈沖電流和高能浪涌瞬變至關(guān)重要。它們還提供寬電壓范圍，高能量吸收以及對電壓瞬變的快速響應。峰值電流額定值范圍為20至70,000 A，而峰值能量額定值范圍為0.01至10,000J。

在本文中，“電壓瞬變”定義為電能的短時(shí)電涌。在變阻器打算保護的電路中，該能量可以通過(guò)受控的開(kāi)關(guān)動(dòng)作以可預測的方式釋放，也可以從外部源隨機引入電路中。常見(jiàn)來(lái)源包括：

雷電：實(shí)際上，雷電引起的瞬變不是直接敲擊的結果。雷擊會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì )在附近的電纜中引起較大的瞬變。云間罷工會(huì )影響架空電纜和地下電纜。結果也是不可預測的：在1英里外發(fā)生的罷工會(huì )在電纜中產(chǎn)生70 V的電壓，而在160碼以外的地方會(huì )產(chǎn)生10kV的電壓。
? 感性負載切換：發(fā)電機，電動(dòng)機，繼電器和變壓器代表典型的電感瞬變源。打開(kāi)或關(guān)閉感應負載會(huì )產(chǎn)生高能量瞬變，隨著(zhù)負載的增加，瞬變強度會(huì )增加。當感應負載關(guān)閉時(shí)，磁場(chǎng)會(huì )轉換為電能，并以雙指數瞬態(tài)的形式出現。根據不同的來(lái)源，這些瞬變可能高達數百伏特和數百安培，持續時(shí)間為400 ms。由于負載大小的變化，瞬變的波形，持續時(shí)間，峰值電流和峰值電壓會(huì )發(fā)生變化。估算這些變量后，電路設計人員將能夠選擇合適的抑制器類(lèi)型。
? 靜電放電（ESD）：這種能量是物體之間正負電荷不平衡的結果。它的特點(diǎn)是上升時(shí)間非?？?，峰值電壓和電流很高。

壓敏電阻基礎

壓敏電阻主要由氧化鋅（ZnO）球陣列組成，其中ZnO被少量的其他金屬氧化物（例如鉍，鈷或錳）改變。在MOV制造過(guò)程中，將這些球燒結（融合）到陶瓷半導體中。這產(chǎn)生了晶體的微觀(guān)結構，使這些器件能夠在其整個(gè)體中散發(fā)很高水平的瞬態(tài)能量。燒結后，將表面金屬化，并通過(guò)焊接連接引線(xiàn)。

由于MOV的高能量耗散，它們可用于抑制交流電源線(xiàn)應用中發(fā)現的雷電和其他高能瞬變。它們具備承受大量能量的能力，并將這種潛在的破壞性能量從位于下游的敏感電子設備轉移開(kāi)來(lái)。MOV（也用于直流電路）具有多種形式（圖1）。

1.金屬氧化物壓敏電阻（MOV）具有各種尺寸和尺寸，可用于廣泛的應用。徑向鉛盤(pán)類(lèi)型是最常見(jiàn)的版本

多層壓敏電阻

多層壓敏電阻（MLV）解決了瞬態(tài)電壓頻譜的特定部分：電路板環(huán)境。盡管能量較低，但來(lái)自ESD，電感性負載切換甚至雷電浪涌殘余的瞬變可能會(huì )到達板上的敏感集成電路。MLV也由ZnO材料制成，但它們是由金屬電極的交織層制成的，并采用無(wú)鉛陶瓷封裝生產(chǎn)。當承受超過(guò)其額定電壓額定值的電壓時(shí)，它們被設計為從高阻抗狀態(tài)轉換為導通狀態(tài)。

MLV具有各種芯片形式的尺寸，并且能夠根據其尺寸消散大量的浪涌能量。因此，它們適合于數據線(xiàn)和電源瞬態(tài)抑制應用。

申請指引

為特定的過(guò)壓保護應用選擇合適的MOV時(shí)，電路設計人員必須首先確定要保護的電路的工作參數，包括：

?浪涌事件期間的電路條件，例如峰值電壓和電流
?MOV連續工作電壓（正常情況下應比最大系統電壓高20％）
?MOV必須承受的浪涌次數
?可接受的允許通過(guò)電壓受保護的電路
?電路必須遵守的任何安全標準

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在本示例中，假設目標是針對以下電路條件和要求選擇低壓直流光盤(pán)MOV：

?24V直流電路
?浪涌電流波形為8×20μs；電壓波形為1.2×50μs（這是典型的行業(yè)標準波形）
?浪涌期間的峰值電流= 1000 A
?MOV必須能夠承受40次浪涌
?其他電路組件（控制IC等）必須達到最高承受300 V

步驟1：   要找到MOV的額定電壓，請留出20％的裕量，以考慮電壓驟升和電源容差：24 V dc×1.2 = 28.8 V dc。鑒于沒(méi)有壓敏電阻的電壓額定值正好為28.8 V，請查看數據手冊以獲取31 V dc MOV的規格。

步驟2：   要確定要使用的MOV光盤(pán)大小，請首先確定最小滿(mǎn)足1000-A浪涌要求的MOV系列。檢查上表建議使用20毫米MOV和31伏直流最大連續額定電壓（部件號V20E25P）作為滿(mǎn)足要求的可能解決方案。

步驟3：使用同一數據表中的脈沖額定曲線(xiàn)（圖2）來(lái)確定相對于1000A要求下的40個(gè)脈沖的脈沖能力。

2. MOV的數據表將提供脈沖速率曲線(xiàn)；此示例適用于20毫米MOV。

步驟4：   使用MOV數據表中的VI曲線(xiàn)（圖3）來(lái)驗證泄漏電壓將小于300V上限。

3. MOV數據表還將具有電壓與電流的曲線(xiàn)，例如圖2中20mm器件的最大鉗位電壓曲線(xiàn)。

保護MOV免受熱失控

壓敏電阻在浪涌事件期間對瞬態(tài)能量的吸收會(huì )在組件內產(chǎn)生局部加熱，最終導致其退化。如果不加保護，壓敏電阻的退化會(huì )增加發(fā)熱和熱失控。因此，越來(lái)越多的基于壓敏電阻的電涌保護設備提供了內置的熱斷開(kāi)功能。即使在壓敏電阻壽命終止或持續過(guò)電壓的極端情況下，它也可提供針對災難性故障和火災危險的附加保護。

MOV額定用于特定的交流電源工作電壓。通過(guò)施加持續的異常過(guò)電壓條件超過(guò)這些限制可能會(huì )導致過(guò)熱并損壞MOV。

在大浪涌或多次小浪涌之后，MOV傾向于逐漸降低。這種退化導致MOV泄漏電流增加；反過(guò)來(lái)，即使在正常條件下（例如120V交流或240V交流工作電壓），這也會(huì )提高MOV的溫度。與MOV相鄰的熱斷路（圖4）可用于感測MOV溫度的升高，同時(shí)溫度會(huì )繼續下降到其使用壽命終止條件。此時(shí)，熱斷開(kāi)將斷開(kāi)電路，從電路中去除降級的MOV，從而防止潛在的災難性故障。

4.熱斷開(kāi)可以斷開(kāi)電路，從而防止MOV降級的災難性故障

LED驅動(dòng)器和閃電

通常，大多數LED電源是恒定電流類(lèi)型，通常稱(chēng)為LED驅動(dòng)器。這些可以作為包含MOV的現成組件購買(mǎi)，以滿(mǎn)足較低級別的浪涌要求。

通常，驅動(dòng)器額定可承受1到4 kV的電涌。壓敏電阻的直徑范圍為7到14毫米，通常位于交流電源上保險絲的下游。但是，為在室外安裝在裸露的電涌環(huán)境中的照明設備提供更高級別的電涌抗擾性，戶(hù)外照明OEM可能需要在LED驅動(dòng)器之前在其燈具的交流輸入線(xiàn)上添加電涌保護設備（SPD）。

MOV設計示例：工業(yè)電機

交流電動(dòng)機保護的一個(gè)方面是電動(dòng)機本身的耐浪涌能力。NEMA電動(dòng)發(fā)電機標準MG-1的20.36.4段將電涌的單位值定義為：u×V L-L（或0.816×V L-L），其中VL-L是交流電源系統的線(xiàn)電壓。

對于0.1到0.2μs的瞬態(tài)上升時(shí)間，在定子繞組上要求浪涌能力的單位值是兩倍。上升時(shí)間達到1.2μs以上時(shí)，規定為單位值的4.5倍。對于閃電等外部瞬變，這相當于在250V高壓條件下對于230V電動(dòng)機（滿(mǎn)載電流= 12A）的918 V PEAK的浪涌電壓能力。（雷電浪涌可能超過(guò)這些值，因此定子繞組還需要一個(gè)抑制元件來(lái)進(jìn)行保護。）

工作溫度是另一個(gè)考慮因素。假定該應用的環(huán)境工作溫度范圍為0至+ 70°C。這將在MOV的-40至+ 85°C額定值范圍內，并且不需要在此溫度范圍內降低浪涌電流或能量的額定值?？紤]到高線(xiàn)路容限，可能需要275V交流額定MOV在此示例中被選中。使用2 hp單相中型電動(dòng)機，MOV所需的浪涌電流額定值將由電動(dòng)機電源處感應的峰值電流確定。假設電機的維修地點(diǎn)和2Ω的線(xiàn)路阻抗，則確定可能產(chǎn)生3 kA的雷電浪涌。
在這種情況下，一個(gè)數據表指示在900 V時(shí)最大鉗位電壓為3 kA，低于建議的918-V定子繞組耐壓能力。如果電動(dòng)機的使用壽命估計為20年，并指定為在使用期內能夠承受80次雷電瞬變，則數據表脈沖額定值曲線(xiàn)將驗證100次以上電涌的額定值。