不受管理的浪涌電壓可能會導致系統中斷或損壞，甚至對用戶和操作員造成危險。浪涌保護裝置 (SPD)，也稱為瞬態電壓抑制器 (TVS)，通常用于通過限制或阻斷能量來防止電壓浪涌和尖峰。SPD 可以在配電網絡、建筑物布線和電子系統中找到。IEC 61000-4-5 定義了電氣和電子設備的浪涌電壓要求。

過電壓浪涌有多種原因，會導致不同的波形（圖 1）。浪涌的可能來源多種多樣，包括系統中的熱插拔模塊；電力線路負荷變化大；長電纜或與其他系統并行運行的電纜可能會產生感應電涌，并且；特殊的環境考慮因素，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外位置的設備。

圖 1：浪涌波形示例和原因。

浪涌通常具有相似的上升時間和半長，無論其原因如何，從而簡化了浪涌建模過程。IEC 61000-4-5 定義了通過組合波發生器 (CWG) 施加的標準化浪涌。為了模擬典型系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 定義（圖 2）。電流波形定義為短路狀態，而電壓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。短路電流波形定義為較長的 8μs 上升時間和更短的 20μs 半長。要獲得 2Ω 的有效阻抗，電壓波形幅度必須是電流波形幅度的兩倍。

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

浪涌保護裝置

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

金屬氧化物變阻器(MOV) 是最常見的 SPD。MOV 是使用氧化鋅制成的，氧化鋅是一種具有可變電阻的半導體材料。在正常操作下，MOV 呈現高阻抗接地路徑，但當受到電壓浪涌沖擊時，MOV 的電阻急劇下降并提供低阻抗接地。MOV 的使用壽命有限，并且在暴露于許多小瞬變或一些較大瞬變時會退化。

氣體放電管(GDT) 使用惰性氣體代替氧化鋅。在正常操作下，氣體是呈現高電阻的不良導體。但是當電壓上升到足以使氣體電離時，它會呈現出一條低電阻路徑并將電涌轉移到地面。對于給定尺寸，GDT 可以傳導比其他 SPD 更大的電流。與 MOV 一樣，GDT 的預期壽命有限，可以承受一些非常大的瞬變或大量較小的瞬變。

硅雪崩二極管(SAD) 也可用于將浪涌能量轉移至地面，但與 MOV 或 GDT 相比，它們的電流容量較低。

電阻器、電容器和/或電感器可與 MOV、GDT 或 SAD 一起使用，以提供增強級別的保護。

電涌保護器規格

鉗位電壓，也稱為允通電壓，是導致 SPD 鉗位或短路的電壓。雖然較低的鉗位電壓可能會提供更好的保護，但它通常會縮短 SPD 的預期壽命。UL 1449 為 SPD 定義了幾種鉗位電壓。用于 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。

響應時間衡量一旦達到鉗位電壓，SPD 啟動短路所需的時間。與 MOV 相比，GDT 的響應速度較慢。然而，標準測試下的響應時間不一定是比較各種 MOV 的有用衡量標準。所有 MOV 的響應時間都在納秒范圍內，而標準測試波形浪涌持續數十微秒。GDT 速度較慢，但與 MOV 相比通常可以處理更大的浪涌。因此，這兩種類型的設備經常一起使用。混合 SPD 可將 GDT 和 MOV 技術組合到一個組件中。

MOV 還具有焦耳 (J) 額定值，用于定義 MOV 在單個事件中可以吸收多少能量而不會發生故障。MOV 的額定值可以超過 1,000 J 和 40,000 A。但是，由于尖峰的實際持續時間僅為幾十微秒，因此實際耗散功率很低。

通過并聯多個 MOV 可以獲得更高的 J 額定值，但這種方法充滿挑戰。單個 MOV 是不完美的器件，其電壓閾值和非線性響應略有不同。組件中的某些 MOV 預計會比其他 MOV 更敏感，從而導致稱為電流暴漲的現象，其中更敏感的 MOV 傳導更多電流并更快開啟。因此，當出現浪涌時，MOV 從最敏感的設備到最不敏感的設備依次打開。這種行為有兩個后果：最敏感的 MOV 會承受更大的壓力并且使用壽命更短。組件的實際 J 額定值低于單個 MOV J 額定值的總和。有效 J 額定值取決于 MOV 匹配，通常需要降額 20% 或更多。這些組件采用精心匹配的 MOV 組。匹配是根據制造商的規格進行的，但還不夠完美。

最后，假設 MOV 承受連續過壓條件而不是短時電壓浪涌。在這種情況下，它可能會進入熱失控狀態，導致過熱、冒煙甚至起火。UL 1449 要求保護 MOV 免受熱失控。在大多數系統中，熱熔斷器或熱切斷 (TCO) 設備可保護 MOV 免受熱失控。

為了獲得最佳保護，多個帶有串聯 TCO 器件的 MOV 并聯放置在三個導電對（LL、LG 和 NG）中的每一個上（圖 3）。此外，線路中放置了一個標準保險絲，以保護系統免受過流情況的影響。保險絲的額定電流通常高于 UL 1449 測試期間流經電路的電流。混合器件可在單個封裝中組合 MOV 和熱熔斷器，從而減少組件數量并縮小解決方案尺寸。

圖 3：顯示保險絲和 TCO 位置的典型 MOV 應用。

浪涌測試

輸入浪涌電壓測試測試方法在 IEC 61000-4-5 中有詳細說明，終端系統要求定義了限制。該測試使系統承受指定輸入電壓之上的電壓尖峰。尖峰模擬可能由從閃電到大型電機驅動等各種來源引起的干擾。

系統的安裝等級決定了測試級別（圖 4）。大多數商用 AC/DC 電源都是 3 級安裝設備，并針對線路/中性線和地之間的 2kV 共模浪涌以及線路和中性線之間的 1kV 差模浪涌進行了測試。

圖 4：IEC EN 61000-4-5 浪涌測試等級。

此外，該測試基于從 A 到 C 的三級等級，指定了系統對浪涌電壓所需的響應。性能標準 A 要求系統運行不會因測試而發生變化。為滿足標準 B，系統在浪涌事件期間會經歷一些操作或功能變化，但隨后會自動恢復。如果在浪涌事件后需要用戶干預來恢復系統運行，則系統滿足標準 C。如果浪涌損壞系統，則無法通過測試。

IEC61000-4-5 中詳細說明了電壓尖峰如何發生、發生位置、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。但該標準并未詳細說明如何確定性能標準級別是 A、B 還是 C。該決定取決于設備制造商。

總結

如果不受交流線路浪涌和電壓尖峰的保護，系統可能會遭受損壞。各種 SPD 技術使設計人員能夠針對特定應用要求優化電涌保護網絡。在某些情況下，多種 SPD 技術（例如 MOV、GDT 和 SAD）組合用于混合解決方案。按照 UL 1449 的規定，MOV 通常與 TCO 器件結合使用以保護熱失控。IEC 61000-4-5 規定了通用輸入浪涌電壓測試方法，包括多次浪涌測試和系統分類性能級別。

審核編輯：湯梓紅