电涌多级保护电路中限制电压尖峰的产生以及影响

电涌多级保护电路中限制电压尖峰的产生以及影响

左明豪

上海堃豪避雷设备检测技术有限公司 201200

摘要：当我们将波形图的时间放大到100ns间隔时，可以发现残压波形的尖峰部分为一个跌落状态的波形。这篇论文主要阐述了使用不用的器件类型，在电涌多级保护电路中所产生的限制电压尖峰，对设备所造成的影响，并分析其产生的原因。

关键词：多级保护电路；限制电压；尖峰；信号浪涌保护器；避雷器；GDT气体放电管；MOV压敏电阻；TVS瞬态抑制二极管

0. 引言

随着经济建设的高速发展，电子信息设备的应用已深入至国民经济、国防建设和人民生活的各个领域，各种电子、微电子装备已在各行业大量使用。由于这些系统和设备耐过电压能力低，特别是雷电高电压以及雷电电磁脉冲的侵入所产生的电磁效应、热效应都会对信息系统设备造成干扰或永久性损坏。每年我国电子设备因雷击造成的经济损失相当惊人。对于信息系统电涌防护的要求随着信息系统的集成度的提高，对于其精度的要求也在不断的提高。本篇文章即和大家一起讨论一下信号浪涌保护中经常使用的多级保护电路的限制电压中，尖峰的产生以及影响。

0. 浪涌多级防护简介

对于传统的多级保护电路来说，一般使用气体放电管、压敏电阻以及瞬态抑制二极管等一系列的过压保护器件，另外加上电阻、电感或者PTC等退耦器件或过流保护器件进行配合保护，利用各种器件自身的特点达到一定的保护作用。

很多信息系统对信号线保护采用多级保护电路，如图1.1，其中放电管GDT为第一级保护，压敏电阻MOV为第二级保护，瞬态抑制二极管TVS为第三级保护；第一级用来泄流作用，第二级用来限制过电压水平，第三级用来进一步精确的钳住电压；Z1与Z2根据被保护设备和保护器件的不同，可以是电阻、电感或是PTC等器件。

图 1.1：多级电涌保护经典电路

2、多级防护电路中的尖峰残压

当我们将波形图的时间放大到100ns间隔时，可以发现残压波形的尖峰部分为一个跌落状态的波形。那这种波形的状态是如何产生的呢？

首先，我们需要了解多级配合的保护电路的工作原理。

当浪涌电压加在保护电路的输入端时，响应时间速度最快的瞬态抑制二极管TVS首先动作。通过选择适当耦合元件(电感、电阻或PTC等)参数使线路设计为在抑制二极管可能损坏之前，随着放电电流的增加使其在L2上产生的压降加上在TVS上的压降达到MOV的击穿电压，这时MOV开始放电。同样，随着放电电流进一步增加使其在L1上的压降加上MOV击穿电压达到GDT的动作电压，最终由GDT释放更大的浪涌电流。

3、残压中尖峰波形产生的原因

为了证明尖峰产生的原因，笔者进行了如下的测试：

A：使用单一器件进行测试：

使用1.5KE8.2CA的TVS管进行测试，冲击浪涌为500V/250A的组合波（1.2/50us开路电压；8/20us短路电流），其残压波形如图3.1；

使用大功率TVS（标称放电电流达3kA）的TVS管进行测试，冲击浪涌为6kV/3kA的组合波（1.2/50us开路电压；8/20us短路电流），其残压波形如图3.2；

B：使用组合电路（如图3.3）进行测试，使用器件如表3.1，使用冲击浪涌为6kV/3kA的组合波（1.2/50us开路电压；8/20us短路电流），其残压波形如图3.4

表3.1 table 3.1

C：使用组合电路（如图3.5）进行测试，但后级保护使用大功率的器件代替1500W的TVS（使用器件如表3.2），使用冲击浪涌为6kV/3kA的组合波（1.2/50us开路电压；8/20us短路电流），其残压波形如图3.6

表3.2 table 3.2

冲击电流为6kV/3kA的组合波（1.2/50us开路电压；8/20us短路电流），其残压波形如图3.5；

可见，当使用单一器件进行测试时，其残压没有尖峰；当使用组合电路进行测试时，其残压出现尖峰；而当将后级保护使用足够大功率的器件时，其尖峰残压减小。

根据对比测试可以得出，当浪涌波形发生时，根据多级保护电路的工作原理，其反应速度最快的启动电压最低的后级保护器件先工作，随着浪涌波形幅值的上升，后级保护器件两端的残压也越来越大，直到前级保护器件启动，从而降低了后级保护器件上所通过的浪涌，此时其残压也根据后级保护器件通过的浪涌的降低而降低。

而对于其尖峰残压的幅值一般会超过保护器件厂家所标示的幅值，但只要前后配合设计没有问题，保护器件不会发生不可逆的损坏，这是由于尽管浪涌幅值很高，但是时间很短，其能量不足于造成器件的损坏，但会使残压增高。

4、影响残压中尖峰波形的因素

为了得出各种器件对尖峰残压的影响，笔者对各种配置下的尖峰残压进行了测试，为了测试的一致性，测试波形全部选用6kV/3kA的组合波（1.2/50us开路电压，8/20us短路电流）进行测试，其中GDT使用的是某德国知名品牌的同一批次产品，TVS为某美国知名品牌的同一批次产品，以保证不会由于器件的离散而导致测试结果不一致。

4.1阻抗影响：

使用如图4.1.1的电路进行测试，选用器件如表4.1

表4.1

通过测试，我们可以了解，改变退耦器件后，其尖峰残压会有略微的改变，但其改变并不会特别大，尖峰仍旧存在。

4.2 TVS功率影响

使用如图4.2.1的电路进行测试，选用器件如表4.1

表4.2.1

通过测试，我们可以了解，改变第二级保护器件后，其尖峰残压明显下降，尖峰仍旧存在，但当使用3kA功率的TVS时，尖峰已降到很低的水平。

4.3退耦器件种类影响

使用如图4.3.1-a、4.3.1-b、4.3.1-c的电路进行测试，选用器件如表4.1

表4.3.1

通过测试，我们可以了解，改变退耦器件后，其尖峰残压会有略微的改变，但其改变基本忽略不计，尖峰仍旧存在。

4.4前级放电器件的影响

使用如图4.4.1-a、4.4.1-b的电路进行测试，选用器件如表4.1

表4.4.1

通过测试，我们可以了解，改变第一级保护器件后，其尖峰残压会有一定的改变，但其尖峰仍旧存在，并且保持在较高的水平上。

5、 解决方案及存在的问题

通过以上一系列的对比测试可以了解，如果想要降低其限制电压的尖峰，就要在前级保护器件启动前，需对TVS两端的残压有效的进行控制，一般可以通过以下2种方法：

增加TVS的功率以保证TVS上的电流增加，但其残压通过TVS自身的能力，仍能很好的控制在一定的水平下。

在后级的TVS钳位电路中增加辅助电路，降低TVS所承受的电流，从而控制限制电压中的尖峰。

但以上两种方式都会大大增加线路中的电容值，从而使保护电路的传输特性，对于要求有一定传输频率要求的信号系统的防护，很不合适。

6、结论

综上所述，对于多级保护电路的较陡的浪涌测试时，其限制电压中存在的尖峰是由于其电路前后配合所造成的，其尖峰应被归结到限制电压中，并且如果在原理不变的情况下，其限制电压的尖峰很难避免，但可以通过一定的手段去降低；而对于现场的浪涌防护而言，其尖峰是否会影响保护效果，则对于工程师在选择合适的SPD时，是需要注意的。

参考文献：

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