选择合适的压敏电阻进行过压电路保护

2020-06-18

压敏电阻，也称为金属氧化物压敏电阻（MOV），用于保护敏感电路免受各种过压条件的影响。本质上，这些依赖电压的非线性器件具有类似于背对背齐纳二极管的电气特性。

电压瞬变压敏电阻具有很高的耐用性，这对于承受反复的高峰值脉冲电流和高能浪涌瞬变至关重要。它们还提供宽电压范围，高能量吸收以及对电压瞬变的快速响应。峰值电流额定值范围为20至70,000 A，而峰值能量额定值范围为0.01至10,000J。

在本文中，“电压瞬变”定义为电能的短时电涌。在变阻器打算保护的电路中，该能量可以通过受控的开关动作以可预测的方式释放，也可以从外部源随机引入电路中。常见来源包括：

雷电：实际上，雷电引起的瞬变不是直接敲击的结果。雷击会产生磁场，该磁场会在附近的电缆中引起较大的瞬变。云间罢工会影响架空电缆和地下电缆。结果也是不可预测的：在1英里外发生的罢工会在电缆中产生70 V的电压，而在160码以外的地方会产生10kV的电压。
• 感性负载切换：发电机，电动机，继电器和变压器代表典型的电感瞬变源。打开或关闭感应负载会产生高能量瞬变，随着负载的增加，瞬变强度会增加。当感应负载关闭时，磁场会转换为电能，并以双指数瞬态的形式出现。根据不同的来源，这些瞬变可能高达数百伏特和数百安培，持续时间为400 ms。由于负载大小的变化，瞬变的波形，持续时间，峰值电流和峰值电压会发生变化。估算这些变量后，电路设计人员将能够选择合适的抑制器类型。
• 静电放电（ESD）：这种能量是物体之间正负电荷不平衡的结果。它的特点是上升时间非常快，峰值电压和电流很高。

压敏电阻基础

压敏电阻主要由氧化锌（ZnO）球阵列组成，其中ZnO被少量的其他金属氧化物（例如铋，钴或锰）改变。在MOV制造过程中，将这些球烧结（融合）到陶瓷半导体中。这产生了晶体的微观结构，使这些器件能够在其整个体中散发很高水平的瞬态能量。烧结后，将表面金属化，并通过焊接连接引线。

由于MOV的高能量耗散，它们可用于抑制交流电源线应用中发现的雷电和其他高能瞬变。它们具备承受大量能量的能力，并将这种潜在的破坏性能量从位于下游的敏感电子设备转移开来。MOV（也用于直流电路）具有多种形式（图1）。

1.金属氧化物压敏电阻（MOV）具有各种尺寸和尺寸，可用于广泛的应用。径向铅盘类型是最常见的版本

多层压敏电阻

多层压敏电阻（MLV）解决了瞬态电压频谱的特定部分：电路板环境。尽管能量较低，但来自ESD，电感性负载切换甚至雷电浪涌残余的瞬变可能会到达板上的敏感集成电路。MLV也由ZnO材料制成，但它们是由金属电极的交织层制成的，并采用无铅陶瓷封装生产。当承受超过其额定电压额定值的电压时，它们被设计为从高阻抗状态转换为导通状态。

MLV具有各种芯片形式的尺寸，并且能够根据其尺寸消散大量的浪涌能量。因此，它们适合于数据线和电源瞬态抑制应用。

申请指引

为特定的过压保护应用选择合适的MOV时，电路设计人员必须首先确定要保护的电路的工作参数，包括：

•浪涌事件期间的电路条件，例如峰值电压和电流
•MOV连续工作电压（正常情况下应比最大系统电压高20％）
•MOV必须承受的浪涌次数
•可接受的允许通过电压受保护的电路
•电路必须遵守的任何安全标准

为了简单起见，在本示例中，假设目标是针对以下电路条件和要求选择低压直流光盘MOV：

•24V直流电路
•浪涌电流波形为8×20μs；电压波形为1.2×50μs（这是典型的行业标准波形）
•浪涌期间的峰值电流= 1000 A
•MOV必须能够承受40次浪涌
•其他电路组件（控制IC等）必须达到最高承受300 V

步骤1：   要找到MOV的额定电压，请留出20％的裕量，以考虑电压骤升和电源容差：24 V dc×1.2 = 28.8 V dc。鉴于没有压敏电阻的电压额定值正好为28.8 V，请查看数据手册以获取31 V dc MOV的规格。

步骤2：   要确定要使用的MOV光盘大小，请首先确定最小满足1000-A浪涌要求的MOV系列。检查上表建议使用20毫米MOV和31伏直流最大连续额定电压（部件号V20E25P）作为满足要求的可能解决方案。

步骤3：使用同一数据表中的脉冲额定曲线（图2）来确定相对于1000A要求下的40个脉冲的脉冲能力。

2. MOV的数据表将提供脉冲速率曲线；此示例适用于20毫米MOV。

步骤4：   使用MOV数据表中的VI曲线（图3）来验证泄漏电压将小于300V上限。

3. MOV数据表还将具有电压与电流的曲线，例如图2中20mm器件的最大钳位电压曲线。

保护MOV免受热失控

压敏电阻在浪涌事件期间对瞬态能量的吸收会在组件内产生局部加热，最终导致其退化。如果不加保护，压敏电阻的退化会增加发热和热失控。因此，越来越多的基于压敏电阻的电涌保护设备提供了内置的热断开功能。即使在压敏电阻寿命终止或持续过电压的极端情况下，它也可提供针对灾难性故障和火灾危险的附加保护。

MOV额定用于特定的交流电源工作电压。通过施加持续的异常过电压条件超过这些限制可能会导致过热并损坏MOV。

在大浪涌或多次小浪涌之后，MOV倾向于逐渐降低。这种退化导致MOV泄漏电流增加；反过来，即使在正常条件下（例如120V交流或240V交流工作电压），这也会提高MOV的温度。与MOV相邻的热断路（图4）可用于感测MOV温度的升高，同时温度会继续下降到其使用寿命终止条件。此时，热断开将断开电路，从电路中去除降级的MOV，从而防止潜在的灾难性故障。

4.热断开可以断开电路，从而防止MOV降级的灾难性故障

LED驱动器和闪电

通常，大多数LED电源是恒定电流类型，通常称为LED驱动器。这些可以作为包含MOV的现成组件购买，以满足较低级别的浪涌要求。

通常，驱动器额定可承受1到4 kV的电涌。压敏电阻的直径范围为7到14毫米，通常位于交流电源上保险丝的下游。但是，为在室外安装在裸露的电涌环境中的照明设备提供更高级别的电涌抗扰性，户外照明OEM可能需要在LED驱动器之前在其灯具的交流输入线上添加电涌保护设备（SPD）。

MOV设计示例：工业电机

交流电动机保护的一个方面是电动机本身的耐浪涌能力。NEMA电动发电机标准MG-1的20.36.4段将电涌的单位值定义为：u×V L-L（或0.816×V L-L），其中VL-L是交流电源系统的线电压。

对于0.1到0.2μs的瞬态上升时间，在定子绕组上要求浪涌能力的单位值是两倍。上升时间达到1.2μs以上时，规定为单位值的4.5倍。对于闪电等外部瞬变，这相当于在250V高压条件下对于230V电动机（满载电流= 12A）的918 V PEAK的浪涌电压能力。（雷电浪涌可能超过这些值，因此定子绕组还需要一个抑制元件来进行保护。）

工作温度是另一个考虑因素。假定该应用的环境工作温度范围为0至+ 70°C。这将在MOV的-40至+ 85°C额定值范围内，并且不需要在此温度范围内降低浪涌电流或能量的额定值。考虑到高线路容限，可能需要275V交流额定MOV在此示例中被选中。使用2 hp单相中型电动机，MOV所需的浪涌电流额定值将由电动机电源处感应的峰值电流确定。假设电机的维修地点和2Ω的线路阻抗，则确定可能产生3 kA的雷电浪涌。
在这种情况下，一个数据表指示在900 V时最大钳位电压为3 kA，低于建议的918-V定子绕组耐压能力。如果电动机的使用寿命估计为20年，并指定为在使用期内能够承受80次雷电瞬变，则数据表脉冲额定值曲线将验证100次以上电涌的额定值。