瞬態(tài)過電壓保護電路的設(shè)計思路

隨著電子鎮(zhèn)流器,電子節(jié)能燈市場日益激烈,進一步提高電子鎮(zhèn)流器的性能已成必然趨勢。國標(biāo)GB15143 - 94《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器的性能要求》第4. 12 條規(guī)定:電子鎮(zhèn)流器不應(yīng)因電源中瞬時過電壓影響其性能或受傷害。因此,各電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)廠家都應(yīng)重視保護電路的設(shè)計,確保電子鎮(zhèn)流器在正常工作時能防護瞬態(tài)過電壓的侵害,提高產(chǎn)品的安全可靠性。

瞬時過電壓產(chǎn)生的原因和侵入途徑

一般來講,瞬時過電壓主要指雷電感應(yīng)過電壓和操作過電壓,當(dāng)感應(yīng)雷擊及雷電電磁脈沖通過電源線侵入電子系統(tǒng)時就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,感應(yīng)電動勢疊加在電源線路上,就會產(chǎn)生瞬時高壓脈沖,在線路上重疊的瞬態(tài)脈沖電壓,通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般電子設(shè)備所能承受的耐壓水平,從而擊毀各類用電設(shè)備,使設(shè)備遭受永久性的損壞。為了保護電子設(shè)備不受過電壓的侵害。目前,預(yù)防瞬態(tài)騷擾的最有效
的辦法是采用浪涌吸收器件,常用的浪涌吸收器件就有壓敏電阻,TVS 管等等。它的基本用法是將該吸收器直接與被保護的用電設(shè)備并聯(lián)。通常用一種或幾種特殊脈沖波形的峰值電流來考核這些器件的浪涌吸收能力。目前國際和國內(nèi)防護級產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)常見到的是用8/ 20μs 沖擊電流脈沖波形(電流脈沖的前沿是8μs ,半峰波持續(xù)的時間是20μs ) 考核設(shè)備抗干擾性能。它是IEC801 - 5 中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)
電流脈沖波。而通信系統(tǒng)中常用10/ 1000μs 的沖擊電流來考核。

2 　電子鎮(zhèn)流器瞬態(tài)過電壓保護電路的工作原理

通常,供電電網(wǎng)中有時會出現(xiàn)高幅值(如1 kV左右) 的瞬態(tài)脈沖電壓,但電子鎮(zhèn)流器由于受成本的限制,功率變換器件的參數(shù)余量不大,為使電子鎮(zhèn)流器可靠工作,應(yīng)對這種高幅值的瞬態(tài)干擾加以抑制。一般應(yīng)在電子鎮(zhèn)流器的電源線路或者其他被保護的電子元器件前端設(shè)計瞬態(tài)過電壓保護電路,典型的保護電路見圖1。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電感應(yīng)過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs 時, 保護電路和被保護的設(shè)備(或者線路中的元器件) 同時承受了過電壓Vs ,由于壓敏電阻(保護電路的核心元件) 的響應(yīng)速度快,他以納秒級的時間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良的非線性導(dǎo)電特性(圖2 中的擊穿區(qū)) ,使壓敏電阻其兩端的電壓迅速下降,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Vs 值,有效地將過電壓限制在被保護設(shè)備或被保護元器件的絕緣耐壓值等級下,從而使電子鎮(zhèn)流器免受過電壓的傷害。保證了電子鎮(zhèn)流器不因電源中瞬時過電壓而影響其性能或受傷害。

普通壓敏電阻器的伏安特性見圖3 ,它并聯(lián)在電子鎮(zhèn)流器的電源輸入端,熔斷保險絲的后端(圖1) ,線路的保護方式主要有相線與零線的防護,相線與地的防護,零線與地的防護。其外形結(jié)構(gòu)見圖4。

線路正常工作時,壓敏電阻器只相當(dāng)于一個小容量的電容器,對電源線路具有一定的濾波作用,并不影響線路的正常工作。當(dāng)電路的輸入端,出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓且過電壓超過壓敏電阻的壓敏值時,壓敏電阻的內(nèi)阻急劇下降,呈導(dǎo)通狀態(tài),從而使輸入電壓通過壓敏電阻泄放短路,此時,其工作電流迅速增加,使串聯(lián)在電源輸入端的保險絲瞬間熔斷,從而保護了電子鎮(zhèn)流器中各元器件不會被過高的瞬態(tài)過電壓所燒毀。

特別注意,壓敏電阻器的最大特點就是能夠吸收極大的瞬態(tài)浪涌能量,但它不能承受毫安級以上的持續(xù)電流,在過電壓保護電路中,它不能長期工作在過電壓狀態(tài)下。因此,在電子鎮(zhèn)流器中應(yīng)用壓敏電阻時應(yīng)在電源輸入端配置合適的保險熔絲或保險管

3 　壓敏電阻器的選擇原則

3. 1 　壓敏電壓值的選擇

首先是標(biāo)稱電壓的選擇,壓敏電壓值選得過高,意味著增大了保護電路的動作電壓,同時壓敏電壓值越高,相對的殘壓會增高,則壓敏電阻對電子鎮(zhèn)流器可能起不到保護作用。如果壓敏電壓值選的太低,頻繁的過電壓沖擊,會使壓敏電阻器的性能有所下降,漏電流增大,當(dāng)壓敏電壓低于電源電壓的峰值時,造成壓敏電阻器的劣化失效,不僅會影響電子鎮(zhèn)流器的正常工作,甚至可能燒毀壓敏電阻器本身。

一般情況下,為了保證線路的正常工作,同時又為了保證壓敏電阻器在保護線路的同時,自己不受損害,壓敏電壓值的選擇應(yīng)確定在一定的范圍內(nèi)。通常情況下,在保護電路中,壓敏電壓的最小值確定應(yīng)滿足公式(1) 的要求。另外,壓敏電壓的最大值還應(yīng)根據(jù)

保護線路的耐壓水平滿足公式(2) 的要求:

V1 ≈2. 2Vac

或V1≈2. 0Vdc (1)

式中:V1 ———表示1mA 直流電流下的壓敏電壓值;

Vac ———表示交流電壓的有效值;

Vp - p ———表示交流電壓的峰- 峰值;

Vdc ———表示直流電壓值。

V1 ≤0. 9Vz/ Kp (2)

式中:Vz ———表示被保護設(shè)備(或元器件) 的脈沖絕緣耐壓值;Kp ———限制電壓比,是一個與材料有關(guān)的常
數(shù)。

例如:某電子鎮(zhèn)流器的交流電壓為220Vac ,那么,壓敏電阻器的最小電壓值應(yīng)為V1 = 115 × 2 ×220V = 467 V。按照IEC 的有關(guān)規(guī)定, 電子設(shè)備的防護等級為D 級防護, 其絕緣耐壓值一般規(guī)定為115kV。實際上,對于具體的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品而言,

如果整流電路的脈沖耐電壓為1 000 V～1 200 V ,普通0～10 KA 通流容量的壓敏電阻,若Kp 值為117～118 ,通過計算,壓敏電阻的最大壓敏值應(yīng)為V1 ≤019Vz/ K≈019 ×1200/ 117≈643 V。因此,對于供電電壓相對穩(wěn)定的220Vac 電源系統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品,一般選用MYG3/ 300 (壓敏電壓為470 V) 型的壓敏電阻器。對于電源電壓為120Vac 的電子鎮(zhèn)流器,

通常選用MYG3/ 150 (壓敏電壓為250 V) 型的壓敏電阻器。當(dāng)然,在電路設(shè)計已經(jīng)確定的條件下,也可通過大量的試驗確定實際電路的保護水平,選擇更加合適的壓敏電阻器。

3. 2 　通流量的確定

在選擇壓敏電阻器時,要充分考慮電子鎮(zhèn)流器的實際工作環(huán)境因素,滿足線路的安全防護要求。表1 為部分不同型號的壓敏電阻器在不同浪涌電流峰值下的殘壓試驗情況,從表中可以看出,選擇的壓敏電壓值越高,殘壓越高(相同峰值電流情況下) ,同

一型號的壓敏電阻器經(jīng)受的峰值電流越大,殘壓也會有所加大。另外,表2 為一組Ф7、Ф10 或Ф14 等不同片徑的壓敏電阻器通流試驗情況,從表中可以看出,對于不同片徑的壓敏電阻器,其所能承受的浪涌電流也不一樣。通常,對于使用同一配方制作的壓敏電阻器,片徑越大,壓敏電阻器能承受的最大峰值電流也就越大,相應(yīng)的殘壓也會有所增加,但其增加的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通流的增加幅度。因此,選型時,
應(yīng)根據(jù)線路的耐壓水平,外界可能產(chǎn)生的電涌電壓,盡可能選擇通流比較大的壓敏電阻器,以保證線路長期持續(xù)的正常工作。

4 　結(jié)　語
設(shè)計合理的瞬態(tài)過電壓保護電路,選擇合適的壓敏電阻器電參數(shù),可以保證電子鎮(zhèn)流器長期有效的正常工作,也是電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品達到國家標(biāo)準(zhǔn)安全指標(biāo)的重要保證。