淺析電涌產(chǎn)生及電涌保護(hù)

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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(guò)電壓破壞的可能性越來(lái)越大。外部電涌和內(nèi)部電涌過(guò)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(hù)。

　　關(guān)鍵詞：電涌；電涌保護(hù)器；保護(hù)模式；MOV構(gòu)成；MOV的指標(biāo)

　　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(guò)電壓破壞的可能性越來(lái)越大。外部電涌和內(nèi)部電涌過(guò)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(duì)電涌防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)更合理，同時(shí)應(yīng)選擇合格的電涌保護(hù)器。

　　一、電涌的產(chǎn)生

　　電涌是瞬態(tài)過(guò)電壓，在電路中出現(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓波動(dòng)，在電路中通常持續(xù)時(shí)間僅有百萬(wàn)分之一秒。電涌是微秒量級(jí)異常大電流脈沖，波頭時(shí)間一般在0.25～20μs，單位能量一般在2.5～10MJ/Ω。電涌的來(lái)源有兩類：外部電涌和內(nèi)部電涌。外部電涌主要來(lái)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(guò)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(guò)電壓，一次普通閃電電壓可達(dá)到3～200百萬(wàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)和其它微電子設(shè)備承受的電壓水平，造成計(jì)算機(jī)等電器設(shè)備芯片損壞，部件老化，造成電子設(shè)備損壞，對(duì)生產(chǎn)生活造成極大危害。

　　二、電涌防護(hù)原理

　　（一）電涌防護(hù)最常見方式

　　電涌防護(hù)最常見方式是利用浪涌保護(hù)器（Surge protection Device），又稱為 “電涌保護(hù)器”、“防雷器”或“過(guò)電壓保護(hù)器”，英文簡(jiǎn)寫為SPD。電涌保護(hù)器的作用是把串入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)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(qiáng)大的電流泄流入地，保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)不受高電壓沖擊損壞。電涌保護(hù)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(gè)非線性電壓限制元件。常用電涌保護(hù)器有MOV（Metal Oxide Varistor）同氣體放電管等。

　　電涌包含強(qiáng)大的能量因此不能被阻止?；谶@種原因，保護(hù)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(hù)器MOV由三部分組成

　　中間是一根金屬氧化物材料，由兩個(gè)半導(dǎo)體連接著電源和地線。當(dāng)產(chǎn)生浪涌時(shí)MOV立即動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)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(guò)電流經(jīng)MOV流入大地。被保護(hù)電氣設(shè)備繼續(xù)在正常工作電壓下運(yùn)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(gè)特定值時(shí)，半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高電阻。反之，當(dāng)電壓超過(guò)該特定值時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)會(huì)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(hù)器MOV閑在一旁，不影響電力線路。

　?。ㄈ┰u(píng)價(jià)浪涌保護(hù)器MOV優(yōu)劣的指標(biāo)

　　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(hù)性能越好。

　　2．能量吸收/耗散能力：此標(biāo)稱值表示浪涌保護(hù)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(hù)性能就越好。

　　3．響應(yīng)時(shí)間：浪涌保護(hù)器不會(huì)立刻斷開，它們對(duì)電涌做出響應(yīng)會(huì)有略微的延遲。

　　（四）氣體放電管

　　另一種常見的浪涌保護(hù)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(guò)在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此功能。 當(dāng)電壓處于某一特定范圍時(shí)，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(guò)這一范圍，電流的強(qiáng)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(huì)將電流傳導(dǎo)至地線，直到電壓恢復(fù)正常水平，隨后又會(huì)成為不良導(dǎo)體。

　　三、浪涌保護(hù)器（SPD）保護(hù)模式

　　SPD可連接在L、N、PE間，這些連接方式稱為保護(hù)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(jì)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(hù)器是4個(gè)單片組合在一起，它沒有對(duì)浪涌電流經(jīng)過(guò)的所有可能的線路都進(jìn)行保護(hù)，如火線—火線之間，火線—中性線。4模式的浪涌保護(hù)器有可能使SPD電壓保護(hù)水平失真，保護(hù)水平較差。會(huì)造成三種情況：電壓抑制水平失真；響應(yīng)時(shí)間不匹配；續(xù)流問(wèn)題存在安全隱患。

　　全模式保護(hù)三根火線通過(guò)浪涌抑制元件分別與中性線相連，三根火線通過(guò)浪涌抑制元件分別與保護(hù)線相連，中性線通過(guò)浪涌抑制元件分別與保護(hù)線相連，三根火線通過(guò)浪涌抑制元件分別相連，全模式下對(duì)浪涌電流經(jīng)過(guò)的所有線路都進(jìn)行了保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)有：全模式的浪涌保護(hù)設(shè)備對(duì)浪涌電流經(jīng)過(guò)的所有可能的線路都進(jìn)行了保護(hù)；有利于對(duì)電網(wǎng)與浪涌保護(hù)器本身的防護(hù)；不會(huì)出現(xiàn)電壓保護(hù)水平失真和元件響應(yīng)時(shí)間不匹配的問(wèn)題。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)電涌產(chǎn)生，電涌保護(hù)器的作用及電涌保護(hù)器接線，使我們?cè)谌粘９ぷ鲗W(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(jiǎn)介：萬(wàn)軍令（1976－），男，山東萊州人，山東黃金集團(tuán)三山島金礦電氣工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化與機(jī)械一體化。