浪湧電壓保護注意事項

不受管理的浪湧電壓可（kě）能會導致係統中斷或（huò）損壞，甚至對用戶和操作（zuò）員造成危險。浪湧保護裝置 (SPD)，也稱為瞬態電壓抑製器 (TVS)，通（tōng）常用於通過限製或阻斷能量來防止電壓浪湧和尖峰。SPD 可以在配電網絡、建築物（wù）布線和（hé）電子係統中找到。IEC 61000-4-5 定義了電氣和電子設備的浪湧（yǒng）電壓要求。

過電壓（yā）浪湧有多種原因，會導致不同的波形（圖 1）。浪湧（yǒng）的（de）可能來源多種多樣，包括係統中的熱（rè）插拔模塊；電力線路負荷變化大；長電（diàn）纜（lǎn）或與其他係（xì）統並行運行的電纜可能會產（chǎn）生感應電（diàn）湧，並且；特殊的環（huán）境考慮因素，例如連接到車輛電池的汽車或卡車中的設備或可能被閃電擊中的具有挑戰性的室（shì）外位置的設備。

圖 1：浪湧波形示（shì）例和原因。

浪湧（yǒng）通常具有相似的上升時間和半長，無論其原因如何，從（cóng）而簡（jiǎn）化（huà）了浪湧建模過程。IEC 61000-4-5 定義了通（tōng）過組（zǔ）合波發生器 (CWG) 施加的標準化浪湧。為了模擬典型係統中的布線和互連電阻，CWG 定義為 2Ω 輸出阻抗。

電流和電壓波形由 IEC 61000-4-5 定（dìng）義（yì）（圖 2）。電流波形定義為短路狀態，而電壓（yā）波形定義為開路狀態。電壓波形比電流波形長。開路電壓波形定義為上升時間為 1.2μs，半長為 50μs。短路電流波形（xíng）定義為較長的（de） 8μs 上升時間和更短的 20μs 半長。要獲得（dé） 2Ω 的有效阻抗，電（diàn）壓波形幅度必須是電（diàn）流波形幅度的兩倍。

圖 2：開路（lù）電壓（左）和短路電流（右）的 IEC 61000-4-5 波形。

浪湧保護裝置

常（cháng）見的 SPD 包括金屬氧化物變阻器 (MOV)、氣體放電管（guǎn） (GDT) 和矽雪崩二極管 (SAD) 或這些設備的組合。每種技術都提供一組不（bú）同的性能和權衡。

金屬氧化物變阻器(MOV) 是最常見的 SPD。MOV 是使用氧化鋅製成的，氧化鋅是一種具有（yǒu）可變電阻的半導體材料。在正常操作下（xià），MOV 呈現高阻抗接地路徑（jìng），但當（dāng）受（shòu）到電壓（yā）浪湧衝擊時，MOV 的電阻急劇下降並提供低阻抗接地（dì）。MOV 的使用壽命有限，並且（qiě）在暴露（lù）於許多小瞬變或一些較（jiào）大瞬變時會退化。

氣體放電管(GDT) 使用惰性氣（qì）體代（dài）替（tì）氧化鋅。在正常操作下，氣（qì）體是（shì）呈現高電阻的不（bú）良（liáng）導體。但是當電壓上升到足以使氣（qì）體電離時，它會（huì）呈現出一條低電阻路（lù）徑並將電湧轉移到地麵。對於給定尺寸，GDT 可（kě）以（yǐ）傳導比（bǐ）其他 SPD 更大的電流。與 MOV 一樣（yàng），GDT 的預期壽（shòu）命有限，可以承受一些非常大的瞬變或大量較小（xiǎo）的瞬變。

矽雪崩二極管(SAD) 也可用於將浪湧能量轉移至地麵，但與 MOV 或（huò） GDT 相比，它（tā）們的電流容量較低。

電（diàn）阻器、電容器和/或電感器可與 MOV、GDT 或（huò） SAD 一起使用，以提供增強（qiáng）級別（bié）的保護。

電（diàn）湧保護器規格

鉗位電壓，也（yě）稱為允通電壓，是導致 SPD 鉗位或短路（lù）的電壓。雖然較低的鉗位電壓可能會提供更好的保護（hù），但它通（tōng）常會縮短（duǎn） SPD 的預期壽命。UL 1449 為 SPD 定義了幾種鉗位電壓。用於 120 VAC 應用的標準鉗位電壓為 330 V。其他常見的鉗位電壓為 400 和 500 V。

響應時間衡量一旦（dàn）達到鉗位電壓，SPD 啟動短路（lù）所（suǒ）需的時間（jiān）。與 MOV 相比（bǐ），GDT 的響（xiǎng）應速度較慢。然（rán）而，標準測試下的響應時（shí）間不一定是比較各種 MOV 的有用衡量（liàng）標準。所有 MOV 的響應時間都在納秒範圍（wéi）內，而標準測試波形（xíng）浪湧持續數十（shí）微秒。GDT 速度較慢，但與 MOV 相比通常可以處理更大的浪湧。因此，這兩種類（lèi）型（xíng）的（de）設備經常一起（qǐ）使用。混合 SPD 可將 GDT 和 MOV 技術組合到一個組件中。

MOV 還具有（yǒu）焦耳 (J) 額定值，用於定義 MOV 在單個事件中可以吸收多少能量而（ér）不會發生故障。MOV 的額定值可以超過 1,000 J 和 40,000 A。但是，由於尖峰的實際（jì）持續時（shí）間僅為幾十微秒，因此實（shí）際耗（hào）散功率很低。

通過並聯多個 MOV 可以獲得更高的 J 額定值，但這種方法（fǎ）充滿挑戰。單個 MOV 是不完（）美的器件，其電壓閾值和（hé）非線性響應（yīng）略有不同。組件中的某些 MOV 預計會（huì）比其他 MOV 更敏感，從而導致稱為電流暴漲的現象，其（qí）中更敏感的（de） MOV 傳（chuán）導更多（duō）電流並更快（kuài）開（kāi）啟。因此，當出（chū）現浪湧時，MOV 從最敏（mǐn）感（gǎn）的設備（bèi）到最不敏感的設備（bèi）依次打開。這種行為有兩個後果：最敏感的 MOV 會（huì）承受更大的壓力並且使（shǐ）用壽命更短。組件的實際 J 額（é）定值（zhí）低於單個 MOV J 額定值的總和。有效 J 額定值取（qǔ）決於 MOV 匹配（pèi），通（tōng）常需要降額 20% 或更（gèng）多。這些（xiē）組件采用精心匹配的 MOV 組。匹配是根據（jù）製造商的規格進行的，但還不夠完（）美。

最後，假（jiǎ）設 MOV 承受連續過壓條件而不（bú）是短時電壓浪湧。在這種情況下，它（tā）可能會進入熱失（shī）控狀態，導致過熱、冒煙甚至（zhì）起（qǐ）火。UL 1449 要求保（bǎo）護 MOV 免受熱失控。在（zài）大（dà）多數係統中，熱熔斷器或熱切斷 (TCO) 設備可保護 MOV 免受熱失（shī）控（kòng）。

為了（le）獲得（dé）最佳保護（hù），多個帶有串聯 TCO 器件（jiàn）的 MOV 並聯放置在三個導電對（LL、LG 和（hé） NG）中的每一個上（圖 3）。此外，線路（lù）中放置了（le）一個標準保險（xiǎn）絲，以保（bǎo）護係統免受過流情況的影響。保險絲的額定電流（liú）通常高於 UL 1449 測試期間流經電路的電流（liú）。混合（hé）器件可（kě）在單個封裝中組（zǔ）合 MOV 和熱熔斷器，從而減少組件數量（liàng）並（bìng）縮小解決（jué）方案尺寸（cùn）。

圖（tú） 3：顯示保（bǎo）險絲和 TCO 位置的（de）典型 MOV 應用（yòng）。

浪湧測試

輸入浪湧（yǒng）電壓測試測試方法在 IEC 61000-4-5 中有（yǒu）詳細說明，終端（duān）係統要（yào）求定義了（le）限製（zhì）。該測試使（shǐ）係統承受指（）定輸入電壓之上的電壓尖峰。尖（jiān）峰模（mó）擬可能由從閃電到大型電機驅動等各種來源引起的幹擾。

係統的安裝等級決（jué）定（dìng）了測試級別（圖 4）。大多數商用 AC/DC 電源都是 3 級安（ān）裝設備（bèi），並針對線路/中性線和地之間的 2kV 共模浪湧（yǒng）以及線路和中性線之間的 1kV 差模浪湧進行了測試。

圖 4：IEC EN 61000-4-5 浪湧測試等級。

此外，該測試基於從 A 到 C 的三級等級，指（）定（dìng）了係統對浪湧電壓所需的響應。性能（néng）標準 A 要求係統運（yùn）行（háng）不會因測試而發生變化。為滿足（zú）標準 B，係統在浪湧事件期間會經曆一些操作或功能（néng）變化，但隨後會自動恢複。如果在浪湧事件後需（xū）要用戶幹預來恢（huī）複係（xì）統運行，則係統（tǒng）滿足標準 C。如果浪湧損壞係統，則無法通過測試。

IEC61000-4-5 中詳（xiáng）細說明了電壓（yā）尖峰如何發生、發生（shēng）位置、需要的電壓電平和波形、尖峰頻率以及尖峰之間的持續時間（jiān）。但該標準並未詳細說明如何確定性能標（biāo）準級別是 A、B 還是 C。該決定取決於設備製造商。

概括

如果不受交流線路浪湧和電壓尖峰（fēng）的保（bǎo）護，係統可（kě）能會遭受損壞。各（gè）種（zhǒng） SPD 技術使設計人員能夠針對特定應用要求優化電湧保護網絡。在某些情況下，多種 SPD 技術（例如 MOV、GDT 和 SAD）組合用於混合解決方案。按照 UL 1449 的規定，MOV 通（tōng）常與 TCO 器件結合使用以保（bǎo）護熱失控。IEC 61000-4-5 規定了通用輸入浪湧電壓（yā）測試方法，包括多次浪（làng）湧測試和係統分類性能級別。