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

 

交流電源線(xiàn)上的干擾會(huì )導致許多設備發(fā)生故障，包括數據傳輸錯誤，電源損壞或對屬于整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)系統造成破壞。 瞬變、尖峰和其它異常是電源線(xiàn)上的典型干擾。 在設計適用于工業(yè)應用的保護系統時(shí)，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解決方案代表了各種應用市場(chǎng)的巨大需求。

 

交流電源線(xiàn)上的干擾

根據IEEE標準的定義，電源擾動(dòng)可以用瞬變、暫態(tài)過(guò)壓、畸變和頻率變化來(lái)表示。瞬變電壓波動(dòng)是由于電源變化、雷電、感應負載切換、靜電放電等可能引起的暫時(shí)性電壓波動(dòng)。這些瞬變的影響程度可能從輕微到災難性不等。

 

瞬變是電源擾動(dòng)中最具破壞性的類(lèi)型，分為兩個(gè)子類(lèi)：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，它以系統的固有頻率振蕩。

 

暫態(tài)過(guò)壓或過(guò)電壓是指交流電壓的升高，持續時(shí)間可從0.5個(gè)周期到1分鐘。 暫態(tài)過(guò)壓的常見(jiàn)起因有：是高阻抗中性線(xiàn)連接、（高）負載突然降低，以及三相系統上的單相故障。 過(guò)電壓代表了導致電壓尖峰的長(cháng)期影響。 過(guò)電壓可被視為持續的暫態(tài)過(guò)壓。

 

畸變以各種形式出現。 諧波是頻率為基波頻率數倍的正弦波。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。 該標準要求總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）不超過(guò)8％，并考慮到最高40次諧波的水平。 間諧波是一種波形失真，通常是由電氣設備（例如靜態(tài)變頻器，感應電動(dòng)機和用于形成電弧的設備）信號串擾電源電壓引起的。

 

頻率變化在電力系統網(wǎng)絡(luò )中很少發(fā)生。在配備備用專(zhuān)用發(fā)電機或供電基礎設施差的場(chǎng)所，頻率變化更為常見(jiàn)，尤其是在發(fā)電機負荷較高的情況下。歐洲50 Hz的頻率必須在供應年95％的時(shí)間內保持在±1％的公差內；同時(shí)，在任何時(shí)候都不得超過(guò)4％或下降超過(guò)6％。該標準假定該頻率是在10 s間隔內測得的平均值。

 

解決方案

過(guò)電壓保護元件可分為兩種基本類(lèi)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，具有更快的響應時(shí)間，但其電流處理能力有限，因為瞬態(tài)能量必須通過(guò)元件鉗位消散。撬棍型元件可以處理較強的過(guò)電流，因為在其導通狀態(tài)下，元件兩端的電壓極低。在實(shí)踐中，它們充當某種短路裝置，改變電流路徑，從而使電流遠離組件的主要部分。

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(guò)優(yōu)化，可以保護處于強過(guò)電壓瞬變環(huán)境中的設備。 5 kA和3 kA Pxxx0FNL Pxxx0MEL系列具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 例如，鉗位優(yōu)于傳統的用于保護交流線(xiàn)路的無(wú)源MOV技術(shù)，可提供針對過(guò)電壓的高電位保護。 此外，較低的導通電壓可確保長(cháng)期保護期間的熱量積聚較低。 這些撬棍型半導體器件可以承受更多次的過(guò)電壓沖擊，滿(mǎn)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（圖3）。 該電路布局為交流線(xiàn)路提供了過(guò)電流和過(guò)電壓保護。

 

 

圖2：具有串聯(lián)過(guò)電流保護的P3800MEL Crowbar解決方案。 在經(jīng)典的工作條件下，保護組件對電線(xiàn)是透明的。 當感應電壓峰值高于P3800MEL的Vdrm時(shí)，就會(huì )過(guò)渡到低電阻狀態(tài)。 保險絲可保護SIDACtor®。 該配置為設計人員提供了一個(gè)用于SIDACtor®的增強型過(guò)電流保護的選項。

 

 

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

 

MOV的晶體結構由隨機取向的金屬氧化物顆粒制成，這些顆粒顯示了P-N結半導體特性。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(guò)P-N結的反向擴散造成的。當施加達到整個(gè)系統保護條件的瞬態(tài)高壓，或者超過(guò)壓敏電阻的擊穿電壓時(shí)，這些P-N結會(huì )發(fā)生雪崩擊穿，壓敏電阻成為導體。壓敏電阻不能為持續電壓升高的故障提供保護，即使電壓幅度明顯低于其設計的瞬態(tài)電壓也是如此。此外，壓敏電阻的確會(huì )出現退化現象，在多次電涌作用下，壓敏電阻開(kāi)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，可保護交流和直流電源免受過(guò)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(xiàn)應用中提供比MOV更高的可靠性和更長(cháng)的抗重復過(guò)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(guò)電壓響應。為了保護CAN總線(xiàn)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(dòng)化控制應用。這些器件符合AEC-Q101標準，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據丟失。有時(shí)ESD事件可能會(huì )輕微損壞器件，但使其暫時(shí)仍能運行。這被稱(chēng)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(wèn)題正日益增多?，F代世界越來(lái)越多地由小型微處理器處理，它們對最小的電力波動(dòng)也很敏感。這些微處理器出色地控制了快速的自動(dòng)化機器人裝配過(guò)程和無(wú)法承受停機時(shí)間的包裝線(xiàn)系統。根據應用市場(chǎng)的不同，針對不同電壓/電流水平的保護解決方案能夠減少或避免由電能質(zhì)量擾動(dòng)引起的問(wèn)題，為設備正常運行提供可靠基礎。