淺析電涌產(chǎn)生及電涌保護

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　　摘要：隨著微電子技術(shù)快速發(fā)展，半導(dǎo)體器件集成化不斷提高，元件間距在減小，半導(dǎo)體厚度在變薄。電子設(shè)備受到瞬態(tài)過電壓破壞的可能性越來越大。外部電涌和內(nèi)部電涌過電壓成為電子設(shè)備損壞和工作中斷的主要因素。文章論述了電涌的產(chǎn)生及電涌保護。

　　關(guān)鍵詞：電涌；電涌保護器；保護模式；MOV構(gòu)成；MOV的指標

　　隨著微電子技術(shù)迅速發(fā)展，半體器件集成化不斷提高，元件間距減小，半導(dǎo)體厚度變薄。電子設(shè)備受到瞬態(tài)過電壓破壞的可能性越來越大。外部電涌和內(nèi)部電涌過電壓成為電子設(shè)備損壞和工作中斷的主要因素。為保證精密電子設(shè)備系統(tǒng)能正常工作，要求對電涌防護設(shè)計應(yīng)更合理，同時應(yīng)選擇合格的電涌保護器。

　　一、電涌的產(chǎn)生

　　電涌是瞬態(tài)過電壓，在電路中出現(xiàn)的瞬時過電壓波動，在電路中通常持續(xù)時間僅有百萬分之一秒。電涌是微秒量級異常大電流脈沖，波頭時間一般在0.25～20μs，單位能量一般在2.5～10MJ/Ω。電涌的來源有兩類：外部電涌和內(nèi)部電涌。外部電涌主要來源于雷電，內(nèi)部電涌是供電網(wǎng)中開關(guān)操作在電力線路上產(chǎn)生的過電壓。

　　雷電是導(dǎo)致電涌最明顯的因素，雷電擊中輸電線路導(dǎo)致巨大的過電壓，一次普通閃電電壓可達到3～200百萬V，電流為2000～3000A。內(nèi)部電涌在低壓電源線上絕大部分（88%）產(chǎn)生于內(nèi)部用電設(shè)備的開啟。 電涌產(chǎn)生的高電壓遠遠超出了計算機和其它微電子設(shè)備承受的電壓水平，造成計算機等電器設(shè)備芯片損壞，部件老化，造成電子設(shè)備損壞，對生產(chǎn)生活造成極大危害。

　　二、電涌防護原理

　　（一）電涌防護最常見方式

　　電涌防護最常見方式是利用浪涌保護器（Surge protection Device），又稱為 “電涌保護器”、“防雷器”或“過電壓保護器”，英文簡寫為SPD。電涌保護器的作用是把串入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，將強大的電流泄流入地，保護設(shè)備或系統(tǒng)不受高電壓沖擊損壞。電涌保護器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同，但至少包含一個非線性電壓限制元件。常用電涌保護器有MOV（Metal Oxide Varistor）同氣體放電管等。

　　電涌包含強大的能量因此不能被阻止。基于這種原因，保護敏感電氣設(shè)備免受電涌損壞的策略是把電涌從設(shè)備分流后流入大地。

　?。ǘ├擞勘Ｗo器MOV由三部分組成

　　中間是一根金屬氧化物材料，由兩個半導(dǎo)體連接著電源和地線。當(dāng)產(chǎn)生浪涌時MOV立即動作，響應(yīng)時間為1～3毫微秒。MOV中的“V”是變阻器，在響應(yīng)的一瞬間，MOV的電阻從最大值降到近乎零歐姆，過電流經(jīng)MOV流入大地。被保護電氣設(shè)備繼續(xù)在正常工作電壓下運行。其半導(dǎo)體元件具有隨電壓變化而改變電阻的性質(zhì)。當(dāng)電壓低于某個特定值時，半導(dǎo)體中的電子運動產(chǎn)生高電阻。反之，當(dāng)電壓超過該特定值時，電子運動會發(fā)生變化，半導(dǎo)體電阻降低接近零歐姆。電壓正常，浪涌保護器MOV閑在一旁，不影響電力線路。

　?。ㄈ┰u價浪涌保護器MOV優(yōu)劣的指標

　　1．箝位電壓：表示將導(dǎo)致MOV接通地線的電壓值。箝位電壓越低，表示保護性能越好。

　　2．能量吸收/耗散能力：此標稱值表示浪涌保護器在燒毀前能夠吸收多少能量，單位為焦耳。其數(shù)值越高，保護性能就越好。

　　3．響應(yīng)時間：浪涌保護器不會立刻斷開，它們對電涌做出響應(yīng)會有略微的延遲。

　?。ㄋ模怏w放電管

　　另一種常見的浪涌保護裝置是氣體放電管。這些氣體放電管作用與MOV相同 ，它們將多余電流從火線移到地線，通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實現(xiàn)此功能。 當(dāng)電壓處于某一特定范圍時，該氣體的組成決定了它是不良導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過這一范圍，電流的強度將足以使氣體電離，從而使氣體放電管成為非常良好的導(dǎo)體。它會將電流傳導(dǎo)至地線，直到電壓恢復(fù)正常水平，隨后又會成為不良導(dǎo)體。

　　三、浪涌保護器（SPD）保護模式

　　SPD可連接在L、N、PE間，這些連接方式稱為保護模式，它們與供電系統(tǒng)接地方式有關(guān)?！兜蛪号潆娫O(shè)計規(guī)范》規(guī)定，供電系統(tǒng)接地分為：TN-S系統(tǒng)（三相五線）、TN-C系統(tǒng)（三相四線）TN-C-S 系統(tǒng)（由三相四線改為三相五線）、IT系統(tǒng)（三相三線）和TT系統(tǒng)（三相四線）。

　　模式保護器是4個單片組合在一起，它沒有對浪涌電流經(jīng)過的所有可能的線路都進行保護，如火線—火線之間，火線—中性線。4模式的浪涌保護器有可能使SPD電壓保護水平失真，保護水平較差。會造成三種情況：電壓抑制水平失真；響應(yīng)時間不匹配；續(xù)流問題存在安全隱患。

　　全模式保護三根火線通過浪涌抑制元件分別與中性線相連，三根火線通過浪涌抑制元件分別與保護線相連，中性線通過浪涌抑制元件分別與保護線相連，三根火線通過浪涌抑制元件分別相連，全模式下對浪涌電流經(jīng)過的所有線路都進行了保護。其優(yōu)點有：全模式的浪涌保護設(shè)備對浪涌電流經(jīng)過的所有可能的線路都進行了保護；有利于對電網(wǎng)與浪涌保護器本身的防護；不會出現(xiàn)電壓保護水平失真和元件響應(yīng)時間不匹配的問題。

　　四、結(jié)語

　　通過對電涌產(chǎn)生，電涌保護器的作用及電涌保護器接線，使我們在日常工作學(xué)習(xí)中免受電涌的危害，提高用電設(shè)備使用壽命。

　　作者簡介：萬軍令（1976－），男，山東萊州人，山東黃金集團三山島金礦電氣工程師，研究方向：電氣自動化與機械一體化。