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電源輸入線的風險和保護
 

【作者: Littlfuse】   2021年07月02日 星期五

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交流電源線干擾是許多設備故障的原因。這種損壞可能像偶爾的資料丟失一樣難以捉摸,也可能像電源、LED照明、工業系統和家用設備(如烤箱、冰箱和電視機)遭到破壞一樣嚴重。


電源線干擾有許多名稱-瞬變、浪湧、尖峰、小故障等。但不管具體名稱如何,要設計有效的保護電路,就必須瞭解它們的特性和各種保護元件的運行情況。


這些電源輸入線路有一些流行的保護元件。最常見的過電壓保護元件有金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)、大功率瞬態電壓抑制(TVS)、二極體和氣體放電管(GDT)。本文討論一種新的創新方法,該方法將一種名為SIDACtor保護晶閘管的開關元件用於交流電源線的主要過電壓保護解決方案。


浪湧保護

浪湧保護元件可分為兩種基本類型:GDT、保護晶閘管型SIDACtor等開關型元件和TVS、二極體、MOVS等鉗位型元件。


鉗位型元件具有更快的回應時間,但其電流處理能力有限,因為瞬態能量必須由鉗位元件耗散。此外,鉗位元型元件兩端的電壓降作為通過它的傳導電流的函數而增加。因此,較高的鉗位元電壓閾值分量將具有較低的峰值電流能力。(對於特定系列中的所有元件,額定功率保持不變,但由於功率是電壓和電流的乘積,因此增加電壓需要減少電流)。


開關型元件可以承受更高的浪湧電流,因為在其導通狀態下,元件兩端的電壓非常低。這些開關元件充當「接近短路值」的路徑,將瞬態能量從受保護的設備中分流出去。 而且,這種低導通電壓將進一步降低對受保護電路的任何電過應力。


交流電源線保護中的SIDACtor元件

由於SIDACtor元件是開關保護的性質及其與交流電源的相容性,因此可能會出現問題。本文將介紹用於交流電源線保護的SIDACtor元件的設計參數。請注意,在此關於使用SIDACtor元件的討論僅於交流電源線;它與大電流直流電源埠不相容。


對於交流信號,SIDACtor元件將在交流埠上每半個週期進行一次過零復位。但是,對於大電流直流電源線,如果可用的短路電流高於其維持電流參數,則SIDACtor元件不會復位。當然,如果將SIDACtor元件與TVS或MOV串聯,也可以在直流電源線上使用。TVS或MOV VBR應等於或高於直流最大電壓


Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列SIDACtor元件

Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列高能SIDACtor元件具有開關特性,其導通電壓值較低,遠低於傳統GDT的電弧電壓,並且其電壓閾值比MOV的鉗位元電壓要低得多。與鉗位矽TVS二極體相比,Pxxx0FNL和Pxxx0ME SIDACtor元件可以處理更高的浪湧電流,因為其導通狀態電壓非常低。與GDT、MOV或TVS元件相比,它還為高dv/dt或高di/dt事件提供了更低的過沖特性。


Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列的元件工作電壓(VDRM;也稱為關態電壓)範圍為58v至450v。 參照IPP浪湧電流和ITSM表,Pxxx0ME提供5000A 8/20 IPP(峰值脈衝電流額定值)和最低50A/60Hz交流單週期正弦波浪湧事件的400A ITSM,Pxxx0FNL提供3000A 8/20 IPP和最低50/60Hz交流單週期正弦波浪湧事件的300A ITSM



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

註:P1500MEL至P2300MEL在8/20us時的浪湧額定值為5kA。 對於P3800MEL的浪湧額定值,在8 /20us時的最小值為4kA,典型值為5kA。

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

Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列SIDACtor元件

Pxxx0FNL和Pxxx0ME系列是傳統GDT的改進解決方案。它們提供:


‧ 低導通狀態電壓條件,因此長期事件期間的熱積累較低


‧ 在高dv / dt事件期間降低過沖


‧ 無老化機制


‧ 在不犧牲過沖特性的情況下,關態電壓值的選擇更接近某些國家交流電源線值(較低電壓GDT使用不同的氣體/較高氣體壓力用於較低的電壓版本,從而導致較慢的開啟特性和較高的過沖)


Pxxx0ME系列SIDACtor元件

圖4a和圖4b顯示了SIDACtor元件P3800MEL,它與電源線熔斷器一起使用,然後與過電流熔斷器保護器串聯。在正常工作條件下,SIDACtor元件和串聯熔斷器不會對電源線起反應並透明地工作。當交流電壓或浪湧感應電壓超過P3800MEL元件的VDRM時,它開始切換到低電阻導通狀態。電源線熔斷器用於保護SIDACtor元件,使其在交流電源事件中重複正弦跟隨過程中不會超過當前ITSM值。



圖4 :  (a)P3800MEL開關解決方案;(b)P3800MEL系列開關解決方案串聯過電流保護
圖4 : (a)P3800MEL開關解決方案;(b)P3800MEL系列開關解決方案串聯過電流保護

然後,這種組合將為該電源埠提供協調的過電流和過電壓保護解決方案。圖4b為設計人員提供了專用於SIDACtor的增強型過流保護選項。具有SIDACtor元件的這一附加系列熔斷器可為SIDACtor元件本身提供保護,使其免受超載或過電壓情況的影響。


該解決方案的主要區別在於需要將電源線熔斷器放置在SIDACtor+系列保險絲組合之後。SIDACtor+系列熔斷器為電源熔斷器和線路阻抗、負載和/或電源電路提供浪湧保護,而電源熔斷器為交流線路電流和電源電路提供保護。如果電源電路需要靈敏的過電流保護,而熔斷器不會暴露在高浪湧事件中,這一方法就顯得特別重要。


請注意,上述保護拓撲只是一些示例。實際的保護方案需要在實際環境中進行測試和驗證。



圖5 : 演示板示例
圖5 : 演示板示例

註:對於演示板,有不同的熔斷器拓撲選項,以及SIDACtor元件選項。

圖6顯示SIDACtor元件對3kA 8/20浪湧的回應(未連接交流電源)。橙色線表示3kA@8/20的浪湧波形,藍色線表示SIDACtorR元件回應曲線。P3800MEL在開關前具有272V的初始峰值,並將電壓限制為<30V。


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

如圖7所示,當SIDACtor元件對交流電壓線上的3kA浪湧作出回應時,施加在SIDACtor元件上的交流電流(278A)會有很大的變化。此半週期高交流電流不會損壞SIDACtor元件,因為P3800MEL ITSM額定電流最低為400A(50/60 Hz一週期交流電流額定值),因此可以安全處理。 這種限制作用是線路阻抗,負載和/或電源電流額定值的函數。


圖7 : P3800MEL觸發後的交流持續電流(有240V交流耦合)
圖7 : P3800MEL觸發後的交流持續電流(有240V交流耦合)

將SIDACtor元件與其它MOV鉗位器件一起使用

Pxx0FN和Pxxx0ME系列還可以與MOV串聯,為因較高鉗位元電壓損壞的電路提供低鉗位元保護。MOV和SIDACtor元件組合的導通閾值必須高於穩態交流線電壓,但一旦此組合啟動,使用開關元件提供的總鉗位元電壓會低於MOV自身所能提供的電壓。


圖8顯示了一個工作電壓較低的SIDACtorR元件P2300MEL(DC 180V),它與前面有熔斷器的MOV V20E130P(AC 130V)串聯連接。該完整電路為交流線路提供過電流和過電壓保護。


圖8 : P2300MEL + V20E130P低鉗位解決方案
圖8 : P2300MEL + V20E130P低鉗位解決方案

圖9顯示在3KA 8/20浪湧事件期間,SIDACtor元件+ MOV組合以及由此產生的最大鉗位元電壓為425V,它高於單獨使用SIDACtor元件時的低導通電壓(<30V)。其較高的鉗位元電壓是由於V20E130P MOV鉗位元電壓與P2300MEL SIDACtor元件導通電壓相加,使得產生的鉗位元電壓大於30V,如上例所示。


但是,如果單獨使用M mOV,對於這條240V的交流線路,所需的MOV將是V20E275P,並且其鉗位元電壓將上升到900V以上,這可能會對後續的電子產品造成損害。僅使用SIDACtor元件、SIDACtor元件+MOV元件組合以及僅使用MOV元件解決方案之間的鉗位元電壓差異顯示了三種截然不同的保護解決方案結果。


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

在圖10中,用3kA 8/20浪湧觸發SIDACtor元件+MOV組合後,測量到交流持續電流為43.2A。MOV阻抗了降低交流持續電流,從而保護了SIDACtor元件。


圖10 : 3kA浪湧觸發P2300MEL+V20E130P後的交流持續電流(帶240V交流耦合)
圖10 : 3kA浪湧觸發P2300MEL+V20E130P後的交流持續電流(帶240V交流耦合)

另一方面,SIDACtor+MOV組合還可以提供比獨立MOV解決方案更低的洩漏電流,從而將關斷狀態保護增強到綠色狀態模式(超低洩漏電流)。SIDACtor元件的添加提供了這種低洩漏特性。出於某些敏感設計或法規遵從性目的,應在線路中添加電流斷路器(熔斷器元件),以符合安規要求。


低鉗位保護典型應用

在圖11a和11b中,SIDACtor元件+ MOV元件的組合為逆變器驅動電路的輸入線路側提供了過電壓保護解決方案。 它旨在允許交流電壓在鉗位元/吸收那些不需要的瞬態雜訊和干擾的同時,可操作地進入電源開關(如IGBT / IGBT模組/ MOSFET)。它可以通過分別使用1個或3個SIDACtor + MOV元件設計成為單相或三相模式。這些保護拓撲被廣泛用於EV電動汽車和HEV混合動力電動汽車應用中。



圖11 :  (a)三相交流電源線的EV/HEV直流充電器浪湧保護;(b)交流電源線的逆變器浪湧保護
圖11 : (a)三相交流電源線的EV/HEV直流充電器浪湧保護;(b)交流電源線的逆變器浪湧保護

如圖12所示,SIDACtor元件+MOV在光伏電池輸出中差分連接(L-N),以防止不必要的瞬變。太陽能電池板產生的電流由高壓開關MOSFET調節到所需的交流電流。實際的SIDACtor元件和MOV組合取決於光伏轉換器設計的浪湧和保護要求。



圖12 : PV光伏轉換器保護
圖12 : PV光伏轉換器保護

保護浪湧和交流續流的熔斷器額定值計算

我們需要一個中斷額定值大於3kA 8/20浪湧事件和交流續流之和,但低於SIDACtor元件ITSM額定值的熔斷器。這樣可以防止熔斷器造成誤操作,但可以適當地斷開以保護SIDACtor元件。熔斷器的斷開值可以通過其I2t值來作出最佳估計。


舉一個例子,說明MOV+SIDACtor組合元件電路在3kA 8/20事件期間,為了正確選擇熔斷器,如何計算總I2t值。


對於浪湧:3kA 8/20浪湧電流I2t約為1/2*Ipeak*Ipeak*t=1/2*3000*3000*20*10-6=90A2s.


對於交流:半週期交流續流I2t將為*IPeak*IPeak*t=1/2*43*43*0.01=9.245A2s。


總I2t將為90+9.245=99.245 A2s。



圖13 : 熔斷器I2t降額曲線
圖13 : 熔斷器I2t降額曲線

注意:脈衝事件之間必須有足夠的時間(10秒),才能使前一個事件的熱量散失。


請注意,對於預期的應用環境溫度條件和預期的脈衝數,我們需要考慮將熔斷器降額使用。例如,如果熔斷器需要使用100,000個脈衝,則應考慮係數0.22(請參考圖13熔斷器降額曲線)。 請注意,對於浪湧保護應用,通常考慮數十個脈衝,因此0.48的降額因數就足夠了。


如上所述,熔斷器I2t需大於99.245 / 0.22 = 451A2S。 半週期交流SIDACtor分量I2t值為1/2 * 400 * 400 * 0.01 = 800 A2S。(400A是P3800MEL的最大ITSM)。 顯然,降額I2t(451 A2S)小於半週期SIDACtor元件I2t(800 A2S),以確保熔斷器在超過ITSM SIDACtor元件額定值之前就斷開。


對於MOV,通常會測量它的續流交流電流能量,看看MOV額定值是否足夠。在這種情況下,通過MOV V20E130P的總電流能量為3kA 8/20加上43A半週期交流電流。因此總能量為0.71x250x300x20x10-6+0.71x250x43x0.007=10.65+53.43=64.08J,此值小於V20E130P 100J資料表規格。


因此,所選熔斷器的I2t額定值將大於3kA 8/20浪湧電流和交流續流電流能量,從而確保在過壓保護解決方案按設計運行時不會導致不必要的斷路。


交流250V額定值和I2t值為451的熔斷器是保護SIDACtor元件+ MOV元件,同時保持正常運行但又為SIDACtor元件+ MOV元件提供保護的絕佳選擇。


在此,列出幾種滿足451 A2S要求的Littelfuse熔斷器類型。


表1.交流保護電路的熔斷器類型和最小額定電流(SIDACtor元件)

IEC

UL

快速動作

慢速動作

快速動作

慢速動作

5x20

216016

215012

-

-

6.3x32

462.4A2S

515.5A2S

314020/324020

325020/326020

?

?

?

631A2S

5575A2S


Littelfuse還提供具有內建熱保護熔斷器的TMOV產品,以縮短電路設計週期。


圖14 : TMOV內建熱保護熔斷器
圖14 : TMOV內建熱保護熔斷器

在圖15中,使用P1900MEL是因為峰值關斷狀態(VDRM = 155v)電壓遠高於CATV電源的峰值電壓(90X1.414 = 127v)。 請注意,所需的補償電感器電路可防止斷態SIDACtorR元件電容干擾CATV RF信號。 該串聯電感器電路具有重要的設計要求,應在此處提及。


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

注意,可能需要補償電感器來滿足CATV網路的插入和反射損耗要求。如果是這樣,則應將電感器設計為快速飽和,並承受高達200V和1000 A的浪湧。磁芯磁導率約為900 Wb / A·m,並用24號導線纏繞到電感為20uH至30uH的電感器就是一個合適的起點的例子,但實際值取決於設計,必須通過實驗室測試進行驗證。


結論

Pxxx0ME SIDATR元件適用於交流電源線保護。它具有低通態限值、快速開啟特性、低超調、高浪湧電流、精確工作電壓值等特點,不會因浪湧額定值內重複啟動而老化。在SIDACtor元件之前,使用合適的熔斷器/過電流元件,它為交流電源線形成了一個極好的保護解決方案。請注意,這僅適用於交流電源線上的短期浪湧,而不適用於大電流直流電源線,除非將直流電流限制在低於SIDACtor元件的維持電流參數。


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