適用于交流電源線應(yīng)用的高功率半導(dǎo)體Crowbar保護(hù)器

力特供稿

　　交流電源線干擾是導(dǎo)致許多設(shè)備出現(xiàn)故障的原因，也會(huì)像電源、LED照明、工業(yè)系統(tǒng)和消費(fèi)類設(shè)備(如烤箱、冰箱和電視機(jī))的破壞那樣嚴(yán)重。

　　電源線干擾有多種叫法，例如瞬態(tài)、浪涌、尖峰等。但是不管具體叫法如何，了解其特性和可用的各種保護(hù)元件的操作，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)有效的保護(hù)電路來(lái)說(shuō)都是必不可少的。

　　這些輸電線有一些常見保護(hù)元件。最常見的過電壓保護(hù)元件是MOV(金屬氧化物壓敏電阻)、高功率TVS(瞬態(tài)電壓抑制)二極管和GDT(氣體放電管)。在本文中，我們將討論SIDACtor?保護(hù)型晶閘管元件來(lái)進(jìn)行交流電源線過電壓的保護(hù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

　　1浪涌保護(hù)

　　浪涌保護(hù)元件可分為兩種基本類型：撬棒型器件，如GDT氣放管和SIDACtor保護(hù)型晶閘管等; 鉗位型器件, 如TVS二極管、MOV等。

　　鉗位元件響應(yīng)速度較快，但由于瞬態(tài)能量必須由鉗位元件耗散，所以其電流處理能力受到限制。此外，鉗位元件兩端的電壓降隨通過它的傳導(dǎo)電流的增加而減小。因此，較高的鉗位電壓閾值元件具有較低的峰值電流能力(對(duì)于特定系列中的所有元件，額定功率保持不變，但是由于功率是電壓和電流的乘積，因此增加電壓需要電流減小)。

　　撬棒型元件可以處理更高的浪涌電流，因?yàn)樵趯?dǎo)通狀態(tài)下，元件兩端的電壓非常低。撬棒元件充當(dāng)“近短路值”路徑，將暫態(tài)能量從受保護(hù)的設(shè)備中分流出去。

　　2交流電源線路保護(hù)中的SIDACtor元件

　　由于SIDACtor元件的性質(zhì)是撬棒型保護(hù)及其與交流電源的兼容性，可能會(huì)出現(xiàn)一些問題。本文將回顧選擇用于交流電源線保護(hù)的SIDACtor元件的設(shè)計(jì)參數(shù)。請(qǐng)注意，關(guān)于SIDACtor元件使用的討論僅限于交流電源線;它與大電流直流電源端口不兼容。SIDACtor元件將在用于交流信號(hào)的每個(gè)半周期過零處的AC端口上復(fù)位。但是，對(duì)于大電流直流電源線，如果可用短路電流高于其保持電流參數(shù)，則SIDACtor元件不會(huì)復(fù)位。

　　3 Littelfuse Pxx00MEL系列SIDACtor元件

　　Littelfuse Pxx00MEL系列高能量SIDACtor元件具有撬棒型特性，可提供比傳統(tǒng)GDT電弧電壓低得多的低通態(tài)電壓值，并且它還可以提供比MOV鉗位電壓低得多的閾值電壓。與鉗位硅TVS二極管相比，Pxx00MEL SIDACtor元件的通態(tài)電壓非常低，因此可以處理更高的浪涌電流。與GDT、MOV或TVS元件相比，它還為高dv / dt或高di / dt事件提供了低得多的過沖特性。

　　Pxx00MEL系列具有從140V至350V的元件工作電壓(VDRM)(又稱斷態(tài)電壓)。參考IPP浪涌電流和ITSM表，Pxx00MEL可提供5000A 8/20 IPP(峰值脈沖額定電流)和適用于50 / 60Hz 交流單周期正弦波浪涌事件的最小電流400A ITSM。

　　Pxx00MEL是對(duì)傳統(tǒng)GDT的改進(jìn)解決方案。它們可提供：

　　1)低通態(tài)電壓條件，從而在長(zhǎng)期事件期間保持較低的熱累積;

　　2)在高dv / dt事件期間減小過沖;

　　3)無(wú)磨耗機(jī)制;

　　4)在不降低過沖特性的情況下，更接近某些國(guó)家交流電源線值的對(duì)峙電壓值選擇(較低電壓GDT使用較低電壓形式的不同氣壓，因此導(dǎo)致較慢的開啟特性和較高的過沖)。

　　圖1a和圖1b顯示了與電源線熔斷器一起使用的SIDACtor元件P3800MEL，然后顯示了與串聯(lián)過電流熔斷器一起使用的SIDACtor元件P3800MEL。在正常工作狀態(tài)下，SIDACtor元件和系列熔斷器不會(huì)對(duì)電源線作出反應(yīng)并透明工作。當(dāng)有一個(gè)交流電壓或浪涌感應(yīng)電壓超過P3800MEL元件的VDRM時(shí)，開始切換到低電阻導(dǎo)通狀態(tài)。電源線熔斷器是為了保護(hù)SIDACtor元件，其電流ITSM值不超過交流電源事件重復(fù)正弦跟隨期間的值。

　　這種組合將為這個(gè)電源端口提供協(xié)調(diào)的過流和過壓保護(hù)解決方案。圖1b為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)專用于SIDACtor增強(qiáng)型過電流保護(hù)的選項(xiàng)。與SIDACtor元件一起增加的系列熔斷器可為SIDACtor元件本身提供過載或過應(yīng)力狀態(tài)保護(hù)。這種解決方案的主要區(qū)別在于電源線熔斷器必須遵循SIDACtor +系列熔斷器組合。SIDACtor +系列熔斷器為電力熔斷器和后續(xù)電源電路提供浪涌保護(hù)，同時(shí)電力熔斷器為交流線路電流和電源電路提供保護(hù)。如果電源電路需要敏感的過電流保護(hù)，由于這種電力熔斷器不需要考慮提供高浪涌能力，這一點(diǎn)顯得尤為重要。請(qǐng)注意，上面的保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是一些例子。實(shí)際的保護(hù)方案將需要在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

　　圖2顯示了SIDACtor元件對(duì)3kA(8/20μs處)浪涌的響應(yīng)(未連接到交流電源)。橙色線顯示3kA (8/20μs處)的浪涌波形，藍(lán)色線顯示SIDACtor元件響應(yīng)曲線。本P3800MEL元件在撬棒型之前的初始峰值為272V，并將電壓限制在<30V。

　　圖3，當(dāng)SIDACtor元件響應(yīng)交流電壓線上的3kA浪涌時(shí)，施加于SIDACtor元件的AC電流(278A)有很大的跟隨。由于P3800MEL的ITSM額定值為最小值400A(50/60 Hz，單周期交流額定電流)，因此這個(gè)半周期的高交流電流不會(huì)損壞SIDACtor元件，這樣一來(lái)就可以安全地處理了。這一限制作用是線路阻抗和/或電源額定電流的函數(shù)。

　　4與其他MOV鉗位器件一起使用SIDACtor元件

　　Littelfuse Pxx00MEL系列還可以與MOV串聯(lián)，為被較高鉗位電壓損壞的電路形成低鉗位保護(hù)。

　　MOV和SIDACtor元件組合的通態(tài)閾值必須高于穩(wěn)態(tài)交流線路電壓，但激活這一組合后，使用撬棒型元件提供的鉗位電壓比MOV本身可提供的整體鉗位電壓更低。

　　圖4顯示了一個(gè)較低工作電壓SIDACtor元件P2300MEL(直流180V)，與熔斷器前面的一個(gè)Littelfuse MOV V20E130P(交流 130V)串聯(lián)。這個(gè)完整的電路為交流線路提供過流和過壓保護(hù)。

　　圖5顯示了在3kA(8/20μs處)浪涌事件期間SIDACtor元件+ MOV組合以及由此產(chǎn)生的425V最大鉗位電壓，這一數(shù)值比僅具有低通態(tài)電壓<30v的SIDACtor元件最大鉗位電壓更高。較高鉗位電壓是由于V20E130P MOV鉗位電壓與P2300MEL SIDACtor元件一起加在狀態(tài)電壓上的，使得由此產(chǎn)生的鉗位電壓> 30V，如上例所示。但是，如果單獨(dú)使用MOV，對(duì)于這一240v交流線路，所需的MOV將會(huì)是V20E275P，并且鉗位電壓將會(huì)上升到900V以上，這可能會(huì)危害之后的電子器件。僅使用SIDACtor元件、SIDACtor元件+ MOV元件的組合和僅使用MOV元件，這三種解決方案之間的鉗位電壓差異顯示出三種截然不同的保護(hù)解決方案結(jié)果。

　　在圖6中，3kA (8/20μs處)浪涌觸發(fā)SIDACtor元件+ MOV組合后，交流跟隨電流測(cè)量值為43.2A。與僅使用SIDACtor元件的解決方案相比，添加MOV可以減小交流跟隨電流。另一方面，SIDACtor + MOV組合的漏電流也比僅使用MOV的解決方案漏電流更低，從而提高M(jìn)OV的工作壽命。因此，SIDACtor可在交流線路電源保護(hù)中為傳統(tǒng)MOV解決方案帶來(lái)互利。對(duì)于一些敏感性設(shè)計(jì)或出于合規(guī)性目的，應(yīng)該在線路中添加一個(gè)電流斷路器(熔斷器元件)，以符合安全檢查表要求。

　　在圖6中，3kA (8/20μs處)浪涌觸發(fā)SIDACtor元件+ MOV組合后，交流跟隨電流測(cè)量值為43.2A。與僅使用SIDACtor元件的解決方案相比，添加MOV可以減小交流跟隨電流。另一方面，SIDACtor + MOV組合的漏電流也比僅使用MOV的解決方案漏電流更低，從而提高M(jìn)OV的工作壽命。因此，SIDACtor可在交流線路電源保護(hù)中為傳統(tǒng)MOV解決方案帶來(lái)互利。對(duì)于一些敏感性設(shè)計(jì)或出于合規(guī)性目的，應(yīng)該在線路中添加一個(gè)電流斷路器(熔斷器元件)，以符合安全檢查表要求。

　　如上所述，熔斷器的I2t應(yīng)大于99.245 / 0.22 = 451 A2S。半周期交流 SIDACtor元件的I2t值為1/2 × 400 × 400 × 0.01 = 800 A2S。(400A是P3800MEL的最大ITSM)。顯然，降額I2t(451 A2S)小于半周期SIDACtor元件I2t(800 A2S)，確保熔斷器在超過ITSM SIDACtor額定值之前斷開。

　　對(duì)于MOV，通常我們會(huì)計(jì)算其跟隨交流電流的能量，從而估算MOV額定值是否足夠。在這種情況下，通過MOV V20E130P的總電流能量為3kA(8/20μs處)加上43A半周期交流電流。所以總能量是0.71×250×3000×20×10 - 6 + 0.71×250×43×0.007 = 10.65 + 53.43 = 64.08 J。這一數(shù)值小于V20E130P 100 J規(guī)格書的規(guī)定限值。

　　因此，選定的熔斷器將具有比3kA(8/20μs處)浪涌電流和交流跟隨電流能量更大的I2t額定值，從而確保當(dāng)OVP解決方案按設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)不會(huì)導(dǎo)致滋擾開路。

　　那么，具有交流 250V額定并且和I2t值為451的熔斷器就是保護(hù)SIDACtor元件+ MOV元件的最佳選擇，在保持正常工作的同時(shí)為SIDACtor元件+ MOV元件提供保護(hù)。

　　5結(jié)論

　　Pxx00MEL SIDACtor元件可以極為理想地保護(hù)交流電源線路。它具有低通態(tài)撬棒閾值、快速通態(tài)特性、低過沖、高浪涌電流、精確的工作電壓值，并且不會(huì)因浪涌額定值內(nèi)的反復(fù)激活而磨損。在SIDACtor元件之前使用合適的熔斷器/過電流元件，可以為交流電源線路提供優(yōu)良的保護(hù)解決方案。此外，請(qǐng)注意，這只適用于交流電源線路上的短時(shí)浪涌，并不適用于大電流直流電源線路，除非直流電流限制在低于保持電流參數(shù)的SIDACtor元件的電平，或者直流電源可識(shí)別短路負(fù)載條件并自動(dòng)切斷。