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如何应用混合交流电涌保护装置来提高电涌保护

来源: digikey
2022-09-14
类别:工业控制
eye 1
文章创建人 艺术皮尼

原标题:如何应用混合交流电涌保护装置来提高电涌保护

  电子设备无处不在,并且随着越来越敏感的电路迅速发展,这些电路在访问电气基础设施时严重依赖前端保护,这些前端保护可能具有也可能没有针对电压浪涌和瞬变的最新保护。这些瞬变可能是雷击、开关或类似电压浪涌事件的结果,这些事件可能导致过压和过流事件,从而损坏或以其他方式降低敏感电子设备的性能。

  现有的低成本浪涌保护技术,例如气体放电管 (GDT) 和金属氧化物压敏电阻 (MOV),会转移或限制浪涌能量,从而防止其到达受保护的设备。每个都有其各自的优点,但是这两种设备都限制了它们在失败之前可以处理的瞬态数量。此外,GDT 可能不会完全切断电流,而 MOV 可能会在多次瞬态事件激活后因热失控而发生故障。

  为了充分利用 GDT 和 MOV 的优点,同时减轻它们的不足之处,混合技术组件已经出现在单个集成设备中,该设备具有相对较小的物理尺寸,可提供给定的浪涌保护水平。虽然集成组件的互补性提高了两者的性能并延长了它们的使用寿命,但为了有效,需要仔细匹配 GDT 和 MOV 元件。正确实施这些 IsoMOV™ 混合电涌保护器对于确保符合 IEC/UL62368-1(信息技术和音频/视频设备的基于危险的标准)特别有用。

  本文先简要讨论 GDT 和 MOV 浪涌保护器的工作原理,然后再研究Bourns提供的实际 IsoMOV 混合保护器示例的特性。最后展示了如何实施 IsoMOV 技术以满足 IEC/UL62368-1 的要求。

  SPD如何工作?

  浪涌保护组件以两种方式之一运行 - 它们可以作为开关运行,将浪涌转移到接地(有时称为撬棒),或者它们可以通过吸收和消散瞬态将最大电压钳制到降低的水平来限制浪涌电压活力。

  GDT 是撬棍限制器的一个示例。它由氩气等非反应性气体中的火花隙组成,并连接在电源线上。如果电压电平低于 GDT 击穿电压,则器件基本处于高阻抗“关闭”状态。如果瞬态将电压电平提高到 GDT 的击穿电压以上,则 GDT 进入导通或“导通”状态(图 1)。

  

触发 GDT 的电压和电流波形图


  图 1:显示的是被触发的 GDT 的电压和电流波形。一旦超过击穿电压,电压下降到10伏左右,电流明显增加。(图片来源:伯恩斯)

  由于 GDT 连接到电源输入端,因此它基本上会短路电源。这会触发保险丝、断路器或其他串联保护装置,从而保护 GDT 下游的电路。请注意,在关闭状态下,电压高,电流低。在导通状态下,相反的情况发生并且耗散的功率非常小,除了在状态之间的转换。重置 GDT 的状态需要将输入电压降低到击穿电压以下。如果电源线输入没有下降到足够低的水平,GDT 可能不会复位并继续传导“后续”电流,使其保持开启状态。GDT 保持开启的可能性是此类浪涌保护技术的一个重大限制。

  MOV 是一种钳位装置。与 GDT 一样,它被放置在电源线上。在正常运行中,MOV 处于高阻抗状态,仅消耗很小的泄漏电流(图 2)。

  

MOV的电流-电压特性图


  图 2:MOV 的电流电压特性显示了双极钳位作用。(图片来源:伯恩斯)

  如果发生电压浪涌,MOV 的阻抗会下降并消耗更多电流,从而消耗功率;这降低并限制了瞬态电压。当瞬态结束时,MOV 阻抗增加并返回其正常状态。MOV 的评级是基于它们可以容忍的此类瞬态事件的数量。在多次瞬态事件之后,MOV 的漏电流可能会增加。这会增加设备耗散的功率,导致其发热。加热会增加泄漏电流,并可能导致 MOV 进入热失控状态,从而导致灾难性的器件故障。

  这些浪涌保护技术本身都不是理想的。但是,如果 GDT 和 MOV 串联放置在电源线上,它们的互补行为就会变得清晰。正常工作时,GDT 关闭,MOV 中没有漏电流。在电压瞬变期间,GDT 触发,从而将 MOV 置于电路中。然后 MOV 钳位瞬态电压浪涌。当瞬态通过 MOV 关闭,减少通过 GDT 的电流,使其也关闭。

  串联放置的 GDT 和 MOV 需要仔细匹配它们的特性,以便它们精确地互补。从设计到制造、测试和封装,离散实现受到广泛变量的影响,这使得设计人员很难找到合适的匹配项。为了应对这些挑战,Bourns 的 IsoMOV 混合保护器将一组精心匹配的 MOV 和一个 GDT 元件组合到一个比单个组件小得多的单一封装中(图 3)。

  

IsoMOV SPD 图是通过在两个 MOV 之间合并 GDT 形成的


  图 3:IsoMOV SPD 是通过在两个 MOV 之间合并 GDT 形成的 (a)。复合原理图符号显示在 (b) 的右侧。(图片来源:伯恩斯)

  图 4 中 IsoMOV 混合保护器的复合瞬态电压响应显示了两个元件如何协同工作。

  

IsoMOV™ 混合保护器的电压响应图


  图 4:IsoMOV 混合保护器的电压响应显示 GDT 组件发生故障以激活 MOV 组件,从而保护下游电路。(图片来源:伯恩斯)

  IsoMOV 混合保护器的两个元件都经过精心设计,可独立承受最大连续工作电压 (MCOV)。如前所述,当不存在瞬态时,GDT 会阻止 MOV 泄漏电流。即使在多次瞬变之后,GDT 也会切断不断上升的 MOV 泄漏电流水平。MOV 可防止瞬态浪涌后的后续电流,从而保护 GDT。与单个 MOV 相比,IsoMOV 器件的几何结构增加了单位面积的浪涌容量。

  从设计工程师的角度来看,IsoMOV 器件在小型集成封装中提供了增强的保护,最大限度地减少了元件数量和电路板空间。例如,ISOM3-175-B-L2是一款 IsoMOV 混合保护器,其 MCOV 为 175 伏均方根 (V RMS ),能够处理至少 15 个 3 千安 (kA) 标称浪涌,最大钳位电压为470 伏(图 5)。它的直径为 13.2 毫米,厚度为 6.1 毫米。直径随最大电流容量而变化,厚度随 MCOV 的增加而增加。

  

Bourns ISOM3-175-B-L2 IsoMOV™ 混合保护器的图片


  图 5:ISOM3-175-B-L2 是 IsoMOV 混合保护器紧凑外形的一个示例。虽然它包括两个 MOV 和一个 GDT,但它的直径仅为 13.2 毫米,厚度为 6.1 毫米。(图片来源伯恩斯)

  Bourns IsoMOV 系列包括 3 kA、5 kA 和 8 kA 三种不同的额定电流,MCOV 额定值为 175 至 555 V RMS。中档器件包括ISOM5-300-B-L2,300 V RMS,5 kA 器件,直径为 17 mm,厚度为 7.1 mm。高电流端是ISOM8-555-B-L2,它是一个 8 kA 器件,具有 555 V RMS MCOV。它的直径为 23 毫米,厚度为 9.4 毫米。所有这些器件的工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。

  与使用单独的 MOV 和 GDT 相比,Bourns 的 IsoMOV 混合保护器以节省空间的外形尺寸提供这些最先进的浪涌额定值。它们具有超低的漏电流,GDT 系列延长了 MOV 的使用寿命。此外,所有 IsoMOV SPD 都被列为 UL1449 4 类组件,因此更容易将它们设计成浪涌保护设备。

  实施符合 IEC/UL62368-1 级别的保护

  IsoMOV 组件是实现符合 IEC/UL62368-1 的有用解决方案。用于音频/视频和信息通信技术设备的新 IEC/UL 62368-1 安全标准基于基于危害的安全工程 (HBSE) 原则,用于设备用户的人身安全和安全措施的实现。它识别潜在危险的能源以及在正常操作和故障条件下将能量传输给用户的过程。

  图 6 中推荐的电源输入保护设计包括从线路到中性线、线路到保护地线和中性线到保护地线的保护装置。

  

符合IEC/UL62368-1的推荐电源输入保护电路图(点击放大)


  图 6:符合 IEC/UL62368-1 的推荐电源输入保护电路具有从线路到中性线、线路到保护地线和中性线到保护地线的保护装置。(图片来源:伯恩斯)

  需要在线路和地之间或中性线到地之间与 MOV 或 IsoMOV 串联 GDT,以防止单独使用 MOV 时可能发生的电击。如果未连接保护接地,仅 MOV 的泄漏电流就可能高到足以在用户触摸隔离接地路径时造成伤害。将 GDT 串联可消除泄漏电流。

  与 MOV 和含有 MOV 的设备相关的危险包括因漏电流过大而引起的电击和火灾的可能性。由于它们的故障模式,MOV 被认为是潜在的点火源 (PIS),要求设计包括减少点火可能性和阻止任何火势蔓延的步骤。

  浪涌保护器有助于提高产品可靠性,并且必须符合标准要求的特定测试。例如,MOV 的 MCOV 必须至少是设备电压范围上限电压的 1.25 倍。对于电源输入范围为 85 至 250 伏交流电的设备,该设备中线路保护 MOV 的最小 MCOV 应为 313 伏。线路上包含 MOV 的线路保护电路要接受基于两倍于标称额定值的线路电压的测试。输入电流由电阻依次限制为 0.125、0.25、0.5、1 和 2 A。由于 MOV 是潜在的火源,因此测试将继续进行,直到 MOV 发生故障。

  结论

  在基础设施老化或保护不力以及用户保护标准不断发展的背景下,IsoMOV 混合保护器为电子系统提供改进和更紧凑的保护,因为它们以加速的速度前进、缩小和扩散。除了卓越的性能和节省空间外,它们还具有扩展的温度范围、低泄漏和高能量处理能力。虽然它们对暴露于高浪涌的工业应用特别有利,但它们可以很容易地在音频/视频和信息通信技术设备中实施,以满足基于危险的安全工程 (HBSE) 的 IEC/UL62368-1 标准。


责任编辑:David

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