電子產(chǎn)品在我們所有應(yīng)用領(lǐng)域中的使用有助于提高人們對電能質(zhì)量的認(rèn)識。 電子設(shè)備的廣泛使用引發(fā)了能源效率問題，尤其是涉及整個電網(wǎng)的干擾問題，對設(shè)備和儀器產(chǎn)生了負(fù)面影響。 新型工業(yè)4.0中涌現(xiàn)的智能技術(shù)需要不間斷且無故障的供電。 電能質(zhì)量的擾動通常定義為電壓，電流或頻率的變化。 這些擾動可能會妨礙系統(tǒng)的正常運行，從而改變產(chǎn)出水平和整個生產(chǎn)活動。

 

交流電源線上的干擾會導(dǎo)致許多設(shè)備發(fā)生故障，包括數(shù)據(jù)傳輸錯誤，電源損壞或?qū)儆谡麄€網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)系統(tǒng)造成破壞。 瞬變、尖峰和其它異常是電源線上的典型干擾。 在設(shè)計適用于工業(yè)應(yīng)用的保護(hù)系統(tǒng)時，請務(wù)必考慮所有這些重要因素。 針對各種電壓和電流值的保護(hù)解決方案代表了各種應(yīng)用市場的巨大需求。

 

交流電源線上的干擾

根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的定義，電源擾動可以用瞬變、暫態(tài)過壓、畸變和頻率變化來表示。瞬變電壓波動是由于電源變化、雷電、感應(yīng)負(fù)載切換、靜電放電等可能引起的暫時性電壓波動。這些瞬變的影響程度可能從輕微到災(zāi)難性不等。

 

瞬變是電源擾動中最具破壞性的類型，分為兩個子類：脈沖型和振蕩型。 脈沖瞬變是高峰值事件，主要由于大氣中發(fā)生的放電而在正或負(fù)方向上增加電壓和/或電流水平。 涉及脈沖瞬變的兩種最可行的保護(hù)方法是消除潛在的靜電放電和使用瞬態(tài)電壓抑制器件。 另一方面，振蕩瞬變是電壓，電流或兩者兼有的突然變化，它以系統(tǒng)的固有頻率振蕩。

 

暫態(tài)過壓或過電壓是指交流電壓的升高，持續(xù)時間可從0.5個周期到1分鐘。 暫態(tài)過壓的常見起因有：是高阻抗中性線連接、（高）負(fù)載突然降低，以及三相系統(tǒng)上的單相故障。 過電壓代表了導(dǎo)致電壓尖峰的長期影響。 過電壓可被視為持續(xù)的暫態(tài)過壓。

 

畸變以各種形式出現(xiàn)。 諧波是頻率為基波頻率數(shù)倍的正弦波。例如，三次諧波的頻率為150 Hz； 這是50 Hz基本頻率的三倍。 五次諧波的頻率為250 Hz。 該標(biāo)準(zhǔn)要求總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）不超過8％，并考慮到最高40次諧波的水平。 間諧波是一種波形失真，通常是由電氣設(shè)備（例如靜態(tài)變頻器，感應(yīng)電動機和用于形成電弧的設(shè)備）信號串?dāng)_電源電壓引起的。

 

頻率變化在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中很少發(fā)生。在配備備用專用發(fā)電機或供電基礎(chǔ)設(shè)施差的場所，頻率變化更為常見，尤其是在發(fā)電機負(fù)荷較高的情況下。歐洲50 Hz的頻率必須在供應(yīng)年95％的時間內(nèi)保持在±1％的公差內(nèi)；同時，在任何時候都不得超過4％或下降超過6％。該標(biāo)準(zhǔn)假定該頻率是在10 s間隔內(nèi)測得的平均值。

 

解決方案

過電壓保護(hù)元件可分為兩種基本類型：撬棍型元件件和鉗位型元件。鉗位型元件，如TVS、MOV及鉗位二極管，具有更快的響應(yīng)時間，但其電流處理能力有限，因為瞬態(tài)能量必須通過元件鉗位消散。撬棍型元件可以處理較強的過電流，因為在其導(dǎo)通狀態(tài)下，元件兩端的電壓極低。在實踐中，它們充當(dāng)某種短路裝置，改變電流路徑，從而使電流遠(yuǎn)離組件的主要部分。

圖1：TO-218封裝的Pxxx0MEL系列。 Pxxx0MEL為50 / 60Hz AC單周期正弦波浪涌提供5000A 8/20 IPP（峰值脈沖電流額定值）和最小400A ITSM。

 

Littelfuse SIDACtor®晶閘管是撬棍型的，經(jīng)過優(yōu)化，可以保護(hù)處于強過電壓瞬變環(huán)境中的設(shè)備。 5 kA和3 kA Pxxx0FNL Pxxx0MEL系列具有幾個優(yōu)點。 例如，鉗位優(yōu)于傳統(tǒng)的用于保護(hù)交流線路的無源MOV技術(shù)，可提供針對過電壓的高電位保護(hù)。 此外，較低的導(dǎo)通電壓可確保長期保護(hù)期間的熱量積聚較低。 這些撬棍型半導(dǎo)體器件可以承受更多次的過電壓沖擊，滿足最小的降級要求（圖1和圖2）。 Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0MEL系列還可以與MOV串聯(lián)，為因較高鉗位電壓而損壞的電路提供低鉗位保護(hù)（圖3）。 該電路布局為交流線路提供了過電流和過電壓保護(hù)。

 

 

圖2：具有串聯(lián)過電流保護(hù)的P3800MEL Crowbar解決方案。 在經(jīng)典的工作條件下，保護(hù)組件對電線是透明的。 當(dāng)感應(yīng)電壓峰值高于P3800MEL的Vdrm時，就會過渡到低電阻狀態(tài)。 保險絲可保護(hù)SIDACtor®。 該配置為設(shè)計人員提供了一個用于SIDACtor®的增強型過電流保護(hù)的選項。

 

 

圖3:SIDACtor®與前面有熔斷器的Littelfuse MOV V20E130P（交流130V）串聯(lián)。

 

MOV的晶體結(jié)構(gòu)由隨機取向的金屬氧化物顆粒制成，這些顆粒顯示了P-N結(jié)半導(dǎo)體特性。在低電壓下工作的電路中，只有少量的電流流入壓敏電阻，這是由于通過P-N結(jié)的反向擴散造成的。當(dāng)施加達(dá)到整個系統(tǒng)保護(hù)條件的瞬態(tài)高壓，或者超過壓敏電阻的擊穿電壓時，這些P-N結(jié)會發(fā)生雪崩擊穿，壓敏電阻成為導(dǎo)體。壓敏電阻不能為持續(xù)電壓升高的故障提供保護(hù)，即使電壓幅度明顯低于其設(shè)計的瞬態(tài)電壓也是如此。此外，壓敏電阻的確會出現(xiàn)退化現(xiàn)象，在多次電涌作用下，壓敏電阻開始老化。

 

TVS二極管的進(jìn)步使該技術(shù)成為金屬氧化物（MOV）壓敏電阻的有效替代品，可保護(hù)交流和直流電源免受過電壓和間接雷擊的影響。這些器件不僅在交流和直流電源線應(yīng)用中提供比MOV更高的可靠性和更長的抗重復(fù)過電壓壽命，而且由于電纜的電感較低，因此使用表面貼裝封裝可提供更好的過電壓響應(yīng)。為了保護(hù)CAN總線免受ESD，EFT和其它電壓瞬變造成的損害，Littelfuse生產(chǎn)了一系列TVS二極管陣列，用于工業(yè)自動化控制應(yīng)用。這些器件符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，可以安全地承受3A的峰值電流。低電容（典型值11.5 pF）可保持信號完整性并最大程度地減少數(shù)據(jù)丟失。有時ESD事件可能會輕微損壞器件，但使其暫時仍能運行。這被稱為潛在缺陷，它很難被檢測到并縮短了該器件的壽命。許多電子器件容易受到低壓ESD事件的影響。由于速度更快和尺寸更小的趨勢，電子領(lǐng)域的ESD問題正日益增多?，F(xiàn)代世界越來越多地由小型微處理器處理，它們對最小的電力波動也很敏感。這些微處理器出色地控制了快速的自動化機器人裝配過程和無法承受停機時間的包裝線系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用市場的不同，針對不同電壓/電流水平的保護(hù)解決方案能夠減少或避免由電能質(zhì)量擾動引起的問題，為設(shè)備正常運行提供可靠基礎(chǔ)。