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交流電源線保護的高性能解決方案

2020年06月01日 09:38:58 瀏覽量：文章來源：電子工程世（shì）界

電子產品在我們所有應用領域中的使用有助於提高人們對電能質量的認識。電子設（shè）備的廣泛使用引發（fā）了能源效率問題，尤其是涉及整個電（diàn）網的（de）幹擾問題（tí），對設備和儀器產生了負麵影響（xiǎng）。新型工業4.0中（zhōng）湧現的智能技術需要不間斷且無故障的供電。電能質量的擾動通常（cháng）定義為電壓，電流或頻率的變化（huà）。這些（xiē）擾動可能會妨礙係統的正常運行，從而改變產出水平和整個生產活動。

交流電源線上的幹擾會導致許（xǔ）多設備發生故障，包括數據傳輸錯誤，電源損壞或對屬於整個網絡的工業係統造成破壞。瞬變、尖峰和其它異常是（shì）電源線上的典型幹擾（rǎo）。在設計適用於（yú）工業應用的（de）保護（hù）係統時，請務必考慮所有這些重要因素。針對各種電壓和電流值的保護解決方案代表了各種應用市場的巨大需求。

交流（liú）電源線上（shàng）的幹擾

根據IEEE標準的定義，電（diàn）源擾動可以用瞬變、暫態過（guò）壓、畸變和頻率變化來表示。瞬變電壓（yā）波動是由於電源變化、雷電、感應負載（zǎi）切換、靜電放電等可能引起的暫時性電壓波動。這些瞬變的影響（xiǎng）程度可能從輕微到災難性不等。

瞬變是（shì）電源擾動中最具破壞性的類型（xíng），分（fèn）為兩個子類：脈（mò）衝型和振蕩型。脈衝瞬變是高峰值事件，主要由於大氣中發生的放電（diàn）而在正或負（fù）方向（xiàng）上增加電壓（yā）和/或電流水平。涉及脈衝瞬變的兩種最可行的保護方法是消除潛在的（de）靜（jìng）電放電和使用瞬態電壓抑製器件。另一方麵，振蕩（dàng）瞬（shùn）變是電壓，電流或兩者兼有的（de）突然變化，它以係統的（de）固有頻率振蕩。

暫（zàn）態過壓或過電壓是指交流電壓的升高，持續時間可從0.5個周（zhōu）期到1分鍾。暫態（tài）過壓的常見起因有：是高阻抗中性線連接、（高）負載突然降低，以及三相（xiàng）係統（tǒng）上的單相故障。過電壓代表了導致電壓（yā）尖峰的長期影響。過電壓可被視為持續的暫態過壓。

畸變以各種形式出現。諧波是頻率為基波頻率數（shù）倍的正弦波。例（lì）如，三次諧波的頻率為150 Hz；這是50 Hz基本頻率的三倍。五次諧波的頻率為250 Hz。該標準要求總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）不超過8％，並考（kǎo）慮到最高40次諧（xié）波的水平。間諧波是一種波形失（shī）真，通常是由電氣設備（例（lì）如靜態變頻器，感應電動機和用於形成電（diàn）弧的設備）信號串擾電源電壓引起的。

頻率變化在電力（lì）係統網絡中很少發生。在（zài）配備備用專（zhuān）用發電機或供電基礎設施差的場所，頻率變化更為常見，尤其是在發電機負荷較高的情況下。歐洲50 Hz的頻率必須在（zài）供應（yīng）年95％的時間內（nèi）保持在±1％的公差內；同時，在任何時候都不得超過4％或下降超過6％。該標準假定該頻率是在10 s間隔內測得的平均值（zhí）。

解決方案

過電壓保護元件可分為兩種基本（běn）類型：撬棍型元件件和鉗位型元件。鉗位型元件，如TVS、MOV及鉗位二極管（guǎn），具有更快的（de）響應（yīng）時間，但其電流處理能力有限（xiàn），因為瞬態能量必須通（tōng）過元件（jiàn）鉗位消散。撬棍（gùn）型（xíng）元件可以處理較強的過電流，因為在其導（dǎo）通狀態下，元件兩端的（de）電（diàn）壓（yā）極低。在實踐中，它們充當某種（zhǒng）短路裝（zhuāng）置，改變電流路（lù）徑，從而使電流遠離（lí）組件的主要部分。

圖1：TO-218封裝的Pxxx0MEL係（xì）列。

Pxxx0MEL為50 / 60Hz AC單周期正弦波浪湧（yǒng）提供5000A 8/20 IPP（峰值脈衝電流額定值）和最小（xiǎo）400A ITSM。

Littelfuse SIDACtor晶閘管是撬棍型（xíng）的，經過優化，可以保（bǎo）護處於強過電壓瞬變環境（jìng）中的設備。5 kA和3 kA Pxxx0FNL Pxxx0MEL係列具有幾個優點。例如，鉗位優（yōu）於傳統的用於保護（hù）交流線（xiàn）路的無源MOV技（jì）術（shù），可提供針對過電壓的高電位保護。此外，較低的導通電壓可確保長期保護（hù）期間的熱（rè）量積聚（jù）較低（dī）。這些撬棍型半導體器件可以承受更多次的過電壓衝擊，滿足最小的降級要求（圖1和圖2）。 Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0MEL係列還可以與MOV串聯，為因較高鉗位電壓而損壞的電路提供低鉗位保護（hù）（圖3）。該電路布局為交（jiāo）流線路提供了過電流和過電壓保護（hù）。

圖2：具有串聯過電流（liú）保護的P3800MEL Crowbar解決方（fāng）案。

在經典的（de）工作（zuò）條件下，保護組件對電線是透明的。當感應電壓（yā）峰值高於（yú）P3800MEL的Vdrm時，就會（huì）過渡到低電阻狀態。保險絲可保（bǎo）護SIDACtor。該配置（zhì）為（wéi）設計人員提供了一個用於SIDACtor的增強型過電流保護的選項。

圖3:SIDACtor與（yǔ）前麵有熔斷器的Littelfuse MOV V20E130P（交流130V）串聯

圖3:SIDACtor與前麵有熔斷器的Littelfuse MOV V20E130P（交流130V）串聯。

MOV的晶體結（jié）構由隨機取向的金屬氧化物顆粒製成，這些顆粒顯示了P-N結半導體特性。在低電壓下工（gōng）作的電路中，隻有少量的電流流入壓敏電阻，這是由於通過P-N結的反向擴散造成的。當施加達到整個係（xì）統保護條件的瞬（shùn）態高壓（yā），或者超過壓敏（mǐn）電阻的擊（jī）穿電壓時，這些P-N結會發（fā）生雪崩擊穿，壓敏（mǐn）電阻成為導體。壓（yā）敏電阻不能為持續電壓升高的故障提供保護，即使電壓幅度明（míng）顯（xiǎn）低於其設計的（de）瞬態電壓也是如此。此外，壓敏電阻的確會出（chū）現退化現象，在多次電湧（yǒng）作用下，壓敏電阻開始老化。

TVS二（èr）極管的進步使該技術成為金屬氧化物（MOV）壓敏電阻的有效替代品，可保護交流和直流電源（yuán）免受過電壓和間（jiān）接雷擊的影響。這些器件不僅在交流和直流電源線應用中提供比MOV更高的可靠性和更長的抗（kàng）重複過電壓壽命，而且由於電纜的電感較（jiào）低，因此使用表麵貼裝（zhuāng）封裝可提供更好的過電壓響應。為了保護CAN總線免受ESD，EFT和其它電壓瞬變造成的損害，Littelfuse生產了一係列TVS二極管陣列，用（yòng）於工業自（zì）動化控製應用。這些器件符合AEC-Q101標準，可以安全地承受3A的峰值電流。低電容（典型值11.5 pF）可保持信號完整性並最大程（chéng）度地減少數據丟失。有時ESD事件可能會輕微（wēi）損壞器件，但使其暫時仍能運行。這被稱為潛在缺陷，它很難被檢測到並縮短了該器件的壽命。許多電（diàn）子器件容易受到低壓ESD事件的影（yǐng）響。由於速（sù）度更快和（hé）尺寸更小（xiǎo）的趨勢，電子領域的ESD問（wèn）題正日益增多。現代世界越來越多（duō）地由小型微處理器處理，它們對（duì）最小的（de）電力波動也很敏感。這些微處理器出色地控製了快速的自動化機器（qì）人（rén）裝配過（guò）程和無法承受停機（jī）時間的包裝線（xiàn）係統（tǒng）。根（gēn）據應用市場的不同，針對不同電壓/電流水平的保護解決方案能夠減少或避免（miǎn）由電能質量擾動引（yǐn）起的問題，為設備正常運行提供可靠基礎。

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