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电源输入线的风险和保护
 

【作者: Littlfuse】2021年07月02日 星期五

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交流电源线干扰是许多设备故障的原因。这种损坏可能像偶尔的资料丢失一样难以捉摸,也可能像电源、LED照明、工业系统和家用设备(如烤箱、冰箱和电视机)遭到破坏一样严重。


电源线干扰有许多名称━瞬变、浪涌、尖峰、小故障等。但不管具体名称如何,要设计有效的保护电路,就必须了解它们的特性和各种保护元件的运行情况。


这些电源输入线路有一些流行的保护元件。最常见的过电压保护元件有金属氧化物压敏电阻 (MOV)、大功率瞬态电压抑制(TVS)、二极体和气体放电管(GDT)。本文讨论一种新的创新方法,该方法将一种名为SIDACtor保护晶闸管的开关元件用於交流电源线的主要过电压保护解决方案。


浪涌保护

浪涌保护元件可分为两种基本类型:GDT、保护晶闸管型SIDACtor等开关型元件和TVS、二极体、MOVS等钳位型元件。


钳位型元件具有更快的回应时间,但其电流处理能力有限,因为瞬态能量必须由钳位元件耗散。此外,钳位元型元件两端的电压降作为通过它的传导电流的函数而增加。因此,较高的钳位元电压??值分量将具有较低的峰值电流能力。(对於特定系列中的所有元件,额定功率保持不变,但由於功率是电压和电流的乘积,因此增加电压需要减少电流)。


开关型元件可以承受更高的浪涌电流,因为在其导通状态下,元件两端的电压非常低。这些开关元件充当「接近短路值」的路径,将瞬态能量从受保护的设备中分流出去。 而且,这种低导通电压将进一步降低对受保护电路的任何电过应力。


交流电源线保护中的SIDACtor元件

由於SIDACtor元件是开关保护的性质及其与交流电源的相容性,因此可能会出现问题。本文将介绍用於交流电源线保护的SIDACtor元件的设计叁数。请注意,在此关於使用SIDACtor元件的讨论仅於交流电源线;它与大电流直流电源埠不相容。


对於交流信号,SIDACtor元件将在交流埠上每半个周期进行一次过零复位。但是,对於大电流直流电源线,如果可用的短路电流高於其维持电流叁数,则SIDACtor元件不会复位。当然,如果将SIDACtor元件与TVS或MOV串联,也可以在直流电源线上使用。TVS或MOV VBR应等於或高於直流最大电压


Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列SIDACtor元件

Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列高能SIDACtor元件具有开关特性,其导通电压值较低,远低於传统GDT的电弧电压,并且其电压??值比MOV的钳位元电压要低得多。与钳位矽TVS二极体相比,Pxxx0FNL和Pxxx0ME SIDACtor元件可以处理更高的浪涌电流,因为其导通状态电压非常低。与GDT、MOV或TVS元件相比,它还为高dv/dt或高di/dt事件提供了更低的过冲特性。


Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列的元件工作电压(VDRM;也称为关态电压)范围为58v至450v。 叁照IPP浪涌电流和ITSM表,Pxxx0ME提供5000A 8/20 IPP(峰值脉冲电流额定值)和最低50A/60Hz交流单周期正弦波浪涌事件的400A ITSM,Pxxx0FNL提供3000A 8/20 IPP和最低50/60Hz交流单周期正弦波浪涌事件的300A ITSM。



图1 : (a)Pxxx0ME系列提供的浪涌IPP和 ITSM;(b) Pxxx0FNL系列提供的浪涌PP和 ITSM
图1 : (a)Pxxx0ME系列提供的浪涌IPP和 ITSM;(b) Pxxx0FNL系列提供的浪涌PP和 ITSM
图2 : TO-218中的Pxxx0ME系列
图2 : TO-218中的Pxxx0ME系列

注:P1500MEL至P2300MEL在8/20us时的浪涌额定值为5kA。 对於P3800MEL的浪涌额定值,在8 /20us时的最小值为4kA,典型值为5kA。

图3 : TO-262M中的Pxxx0FNL系列
图3 : TO-262M中的Pxxx0FNL系列

Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列SIDACtor元件

Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列是传统GDT的改进解决方案。它们提供:


· 低导通状态电压条件,因此长期事件期间的热积累较低


· 在高dv / dt事件期间降低过冲


· 无老化机制


· 在不牺牲过冲特性的情况下,关态电压值的选择更接近某些国家交流电源线值(较低电压GDT使用不同的气体/较高气体压力用於较低的电压版本,从而导致较慢的开启特性和较高的过冲)


Littelfuse Pxxx0ME系列SIDACtor元件

图4a和图4b显示了SIDACtor元件P3800MEL,它与电源线熔断器一起使用,然後与过电流熔断器保护器串联。在正常工作条件下,SIDACtor元件和串联熔断器不会对电源线起反应并透明地工作。当交流电压或浪涌感应电压超过P3800MEL元件的VDRM时,它开始切换到低电阻导通状态。电源线熔断器用於保护SIDACtor元件,使其在交流电源事件中重复正弦跟随过程中不会超过当前ITSM值。



图4 :  (a)P3800MEL开关解决方案;(b)P3800MEL系列开关解决方案串联过电流保护
图4 : (a)P3800MEL开关解决方案;(b)P3800MEL系列开关解决方案串联过电流保护

然後,这种组合将为该电源埠提供协调的过电流和过电压保护解决方案。图4b为设计人员提供了专用於SIDACtor的增强型过流保护选项。具有SIDACtor元件的这一附加系列熔断器可为SIDACtor元件本身提供保护,使其免受超载或过电压情况的影响。


该解决方案的主要区别在於需要将电源线熔断器放置在SIDACtor+系列保险丝组合之後。SIDACtor+系列熔断器为电源熔断器和线路阻抗、负载和/或电源电路提供浪涌保护,而电源熔断器为交流线路电流和电源电路提供保护。如果电源电路需要灵敏的过电流保护,而熔断器不会暴露在高浪涌事件中,这一方法就显得特别重要。


请注意,上述保护拓扑只是一些示例。实际的保护方案需要在实际环境中进行测试和验证。



图5 : 演示板示例
图5 : 演示板示例

注:对於演示板,有不同的熔断器拓扑选项,以及SIDACtor元件选项。

图6显示SIDACtor元件对3kA 8/20浪涌的回应(未连接交流电源)。橙色线表示3kA@8/20的浪涌波形,蓝色线表示SIDACtorR元件回应曲线。P3800MEL在开关前具有272V的初始峰值,并将电压限制为<30V。


图6 : 具有P3800MEL的3kA 8/20(无240v交流耦合)
图6 : 具有P3800MEL的3kA 8/20(无240v交流耦合)

如图7所示,当SIDACtor元件对交流电压线上的3kA浪涌作出回应时,施加在SIDACtor元件上的交流电流(278A)会有很大的变化。此半周期高交流电流不会损坏SIDACtor元件,因为P3800MEL ITSM额定电流最低为400A(50/60 Hz一周期交流电流额定值),因此可以安全处理。 这种限制作用是线路阻抗,负载和/或电源电流额定值的函数。


图7 : P3800MEL触发後的交流持续电流(有240V交流耦合)
图7 : P3800MEL触发後的交流持续电流(有240V交流耦合)

将SIDACtor元件与其它MOV钳位器件一起使用

Pxx0FN和Pxxx0ME系列还可以与MOV串联,为因较高钳位元电压损坏的电路提供低钳位元保护。MOV和SIDACtor元件组合的导通??值必须高於稳态交流线电压,但一旦此组合启动,使用开关元件提供的总钳位元电压会低於MOV自身所能提供的电压。


图8显示了一个工作电压较低的SIDACtorR元件P2300MEL(DC 180V),它与前面有熔断器的MOV V20E130P(AC 130V)串联连接。该完整电路为交流线路提供过电流和过电压保护。


图8 : P2300MEL + V20E130P低钳位解决方案
图8 : P2300MEL + V20E130P低钳位解决方案

图9显示在3KA 8/20浪涌事件期间,SIDACtor元件+ MOV组合以及由此产生的最大钳位元电压为425V,它高於单独使用SIDACtor元件时的低导通电压(<30V)。其较高的钳位元电压是由於V20E130P MOV钳位元电压与P2300MEL SIDACtor元件导通电压相加,使得产生的钳位元电压大於30V,如上例所示。


但是,如果单独使用M mOV,对於这条240V的交流线路,所需的MOV将是V20E275P,并且其钳位元电压将上升到900V以上,这可能会对後续的电子产品造成损害。仅使用SIDACtor元件、SIDACtor元件+MOV元件组合以及仅使用MOV元件解决方案之间的钳位元电压差异显示了三种截然不同的保护解决方案结果。


图9 : 有P2300MEL + V20E130P的3kA 8/20(无240v AC耦合)
图9 : 有P2300MEL + V20E130P的3kA 8/20(无240v AC耦合)

在图10中,用3kA 8/20浪涌触发SIDACtor元件+MOV组合後,测量到交流持续电流为43.2A。MOV阻抗了降低交流持续电流,从而保护了SIDACtor元件。


图10 : 3kA浪涌触发P2300MEL+V20E130P後的交流持续电流(带240V交流耦合)
图10 : 3kA浪涌触发P2300MEL+V20E130P後的交流持续电流(带240V交流耦合)

另一方面,SIDACtor+MOV组合还可以提供比独立MOV解决方案更低的泄漏电流,从而将关断状态保护增强到绿色状态模式(超低泄漏电流)。SIDACtor元件的添加提供了这种低泄漏特性。出於某些敏感设计或法规遵从性目的,应在线路中添加电流断路器(熔断器元件),以符合安规要求。


低钳位保护典型应用

在图11a和11b中,SIDACtor元件+ MOV元件的组合为逆变器驱动电路的输入线路侧提供了过电压保护解决方案。 它旨在允许交流电压在钳位元/吸收那些不需要的瞬态杂讯和干扰的同时,可操作地进入电源开关(如IGBT / IGBT模组/ MOSFET)。它可以通过分别使用1个或3个SIDACtor + MOV元件设计成为单相或三相模式。这些保护拓扑被广泛用於EV电动汽车和HEV混合动力电动汽车应用中。



图11 :  (a)三相交流电源线的EV/HEV直流充电器浪涌保护;(b)交流电源线的逆变器浪涌保护
图11 : (a)三相交流电源线的EV/HEV直流充电器浪涌保护;(b)交流电源线的逆变器浪涌保护

如图12所示,SIDACtor元件+MOV在光伏电池输出中差分连接(L-N),以防止不必要的瞬变。太阳能电池板产生的电流由高压开关MOSFET调节到所需的交流电流。实际的SIDACtor元件和MOV组合取决於光伏转换器设计的浪涌和保护要求。



图12 : PV光伏转换器保护
图12 : PV光伏转换器保护

保护浪涌和交流续流的熔断器额定值计算

我们需要一个中断额定值大於3kA 8/20浪涌事件和交流续流之和,但低於SIDACtor元件ITSM额定值的熔断器。这样可以防止熔断器造成误操作,但可以适当地断开以保护SIDACtor元件。熔断器的断开值可以通过其I2t值来作出最隹估计。


举一个例子,说明MOV+SIDACtor组合元件电路在3kA 8/20事件期间,为了正确选择熔断器,如何计算总I2t值。


对於浪涌:3kA 8/20浪涌电流I2t约为1/2*Ipeak*Ipeak*t=1/2*3000*3000*20*10-6=90A2s.


对於交流:半周期交流续流I2t将为*IPeak*IPeak*t=1/2*43*43*0.01=9.245A2s。


总I2t将为90+9.245=99.245 A2s。



图13 : 熔断器I2t降额曲线
图13 : 熔断器I2t降额曲线

注意:脉冲事件之间必须有足够的时间(10秒),才能使前一个事件的热量散失。


请注意,对於预期的应用环境温度条件和预期的脉冲数,我们需要考虑将熔断器降额使用。例如,如果熔断器需要使用100,000个脉冲,则应考虑系数0.22(请叁考图13熔断器降额曲线)。 请注意,对於浪涌保护应用,通常考虑数十个脉冲,因此0.48的降额因数就足够了。


如上所述,熔断器I2t需大於99.245 / 0.22 = 451A2S。 半周期交流SIDACtor分量I2t值为1/2 * 400 * 400 * 0.01 = 800 A2S。(400A是P3800MEL的最大ITSM)。 显然,降额I2t(451 A2S)小於半周期SIDACtor元件I2t(800 A2S),以确保熔断器在超过ITSM SIDACtor元件额定值之前就断开。


对於MOV,通常会测量它的续流交流电流能量,看看MOV额定值是否足够。在这种情况下,通过MOV V20E130P的总电流能量为3kA 8/20加上43A半周期交流电流。因此总能量为0.71x250x300x20x10-6+0.71x250x43x0.007=10.65+53.43=64.08J,此值小於V20E130P 100J资料表规格。


因此,所选熔断器的I2t额定值将大於3kA 8/20浪涌电流和交流续流电流能量,从而确保在过压保护解决方案按设计运行时不会导致不必要的断路。


交流250V额定值和I2t值为451的熔断器是保护SIDACtor元件+ MOV元件,同时保持正常运行但又为SIDACtor元件+ MOV元件提供保护的绝隹选择。


在此,列出几种满足451 A2S要求的Littelfuse熔断器类型。


表1.交流保护电路的熔断器类型和最小额定电流(SIDACtor元件)

IEC

UL

快速动作

慢速动作

快速动作

慢速动作

5x20

216016

215012

-

-

6.3x32

462.4A2S

515.5A2S

314020/324020

325020/326020

 

 

 

631A2S

5575A2S


Littelfuse还提供具有内建热保护熔断器的TMOV产品,以缩短电路设计周期。


图14 : TMOV内建热保护熔断器
图14 : TMOV内建热保护熔断器

在图15中,使用P1900MEL是因为峰值关断状态(VDRM = 155v)电压远高於CATV电源的峰值电压(90X1.414 = 127v)。 请注意,所需的补偿电感器电路可防止断态SIDACtorR元件电容干扰CATV RF信号。 该串联电感器电路具有重要的设计要求,应在此处提及。


图15 : 用於CATV放大器的SIDACtor元件
图15 : 用於CATV放大器的SIDACtor元件

注意,可能需要补偿电感器来满足CATV网路的??入和反射损耗要求。如果是这样,则应将电感器设计为快速饱和,并承受高达200V和1000 A的浪涌。磁芯磁导率约为900 Wb / A·m,并用24号导线缠绕到电感为20uH至30uH的电感器就是一个合适的起点的例子,但实际值取决於设计,必须通过实验室测试进行验证。


结论

Pxxx0ME SIDATR元件适用於交流电源线保护。它具有低通态限值、快速开启特性、低超调、高浪涌电流、精确工作电压值等特点,不会因浪涌额定值内重复启动而老化。在SIDACtor元件之前,使用合适的熔断器/过电流元件,它为交流电源线形成了一个极好的保护解决方案。请注意,这仅适用於交流电源线上的短期浪涌,而不适用於大电流直流电源线,除非将直流电流限制在低於SIDACtor元件的维持电流叁数。


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