如何使用混合型交流浪涌保护器来提高浪涌保护水平

现在的电子设备无处不在且发展迅速，其越来越敏感的电路在很大程度上依赖前端保护，因为它们要接入电力基础设施，而这些基础设施可能有或者没有最新的电压浪涌和瞬态保护功能。这些瞬态事件可能是由雷击、开关动作或类似的电压浪涌事件造成的结果，会导致过电压和过电流事件，进而损坏敏感电子设备或者降低其性能。

诸如气体放电管 (GDT) 和金属氧化物压敏电阻 (MOV) 等现有的低成本浪涌保护技术能够转移或抑制浪涌能量，以阻止浪涌能量到达被保护设备。这两种技术各有优势，但它们在失效前能处理的瞬态数量都是有限制的。另外，GDT 可能不会完全切断电流，而 MOV 在经过若干次瞬态事件激活后，可能会因热击穿而失效。

为了保持 GDT 和 MOV 的优点并减少其性能上的不足，已经出现了集成混合技术组件的单器件，且在给定的浪涌保护水平下，器件的物理尺寸相对较小。虽然集成组件的互补性提高了两者的性能，延长了运行寿命，但要做到高效率，还需要认真匹配 GDT 和 MOV 元件。经过正确实施，这些 IsoMOV™ 混合浪涌保护器特别有助于确保符合 IEC/UL62368-1 标准，该标准是关于信息技术和音频/视频设备危险方面的标准。

本文简要讨论 GDT 和 MOV 浪涌保护器的工作原理，然后以 Bourns 的实际 IsoMOV 混合保护器为例考察其特点。本文最后说明如何通过实施 IsoMOV 技术来满足 IEC/UL62368-1 标准。

SPD 的工作原理

浪涌保护组件有两种工作方式，一种是用作开关，将浪涌转移到地面（有时称为“撬棍”），另一种是通过吸收和耗散瞬时能量，将最大电压箝制在较低的水平，从而限制浪涌电压。

例如，GDT 就是一种撬棍式抑制器。这种抑制器由位于氩气等非反应性气体中的火花间隙组成，并横跨电源线接线。如果电压水平低于GDT 的击穿电压，该抑制器基本上处于高阻抗“关断”状态。如果一个瞬态使电压水平升高并超过 GDT 的击穿电压，GDT 就会进入导通或“接通”状态（图 1）。

图 1：GDT 被触发后的电压和电流波形。一旦超过击穿电压，电压就会下降到约 10 V，而电流则显著增加。（图片来源：Bourns）

由于 GDT 横跨电源输入，所以基本上使电源形成了短路。这将触发熔断器、断路器或其他串行保护装置，从而保护 GDT 下游的电路。请注意，在关断状态下电压高，电流小。在导通状态下则正好相反，且除了状态转换期间外功率耗散极小。重置 GDT 状态需要将输入电压降低到击穿电压以下。在电源线输入电压没有下降到足够低的情况下，GDT 可能不会复位，并继续传导“跟随”电流，使其保持导通状态。GDT 保持导通的可能性是这种浪涌保护技术的一个重大限制。

MOV 是一种钳位装置。与 GDT 一样，该器件横跨电源线布置。正常情况下，MOV 处于高阻抗状态，只吸收很小的泄漏电流（图 2）。

图 2：MOV 的电流电压特性曲线显示了双极钳制作用。（图片来源：Bourns）

发生电压浪涌时，MOV 的阻抗下降，吸收更多的电流，从而耗散功率；这会降低并限制瞬态电压。瞬态结束时，MOV 的阻抗增加并恢复到正常状态。MOV 的额定值是基于其能够耐受此类瞬态事件的数量。经过一些瞬态事件后，MOV 的漏电流可能会增加。这将增加器件的耗散功率，导致发热。发热会增大漏电流，并可能使 MOV 进入热击穿状态，从而造成灾难性器件故障。

这两种浪涌保护技术本身都不是很理想。然而，如果将 GDT 和 MOV 与电源线串联，它们之间的特性互补就会变得很明显。在正常工作状态下，GDT 断开，MOV 中无漏电流。在电压瞬态期间，GDT 触发，从而将 MOV 接入电路。然后 MOV 钳制瞬态浪涌电压。瞬态结束后，MOV 断开，减少流经 GDT 的电流，也使得 GDT 关断。

对于 GDT 和 MOV 的串联，需要仔细匹配其特性，以便能够精确地相互补充。分立实施方式从设计到制造、测试和包装都会受到各种因素的影响，使得设计者很难找到良好的匹配方案。为了应对这些挑战，Bourns 的 IsoMOV 混合保护器将一组精心匹配的 MOV 和一个 GDT 元件整合到单一封装中，该封装比单组件体积要小得多（图 3）。

图 3：IsoMOV SPD 是由两个 MOV 中间夹一个 GDT 构成的 (a)。复合原理图符号如 (b) 中右侧所示。（图片来源：Bourns）

图 4 中的 IsoMOV 混合保护器的合成瞬态电压响应显示 了这两个元件是如何共同发挥作用的。

图 4：IsoMOV 混合保护器的电压响应显示，GDT 元件击穿以激活 MOV 组件，从而保护下游的电路。（图片来源：Bourns）

IsoMOV 混合保护器的两个元件都采用了能够独立承受最大连续工作电压 (MCOV) 的设计。如前所述，当没有瞬态发生时，GDT 会阻断 MOV 的漏电流。即使经过多次瞬态事件，GDT 也能切断正在上升的 MOV 漏电流。MOV 可以防止瞬态浪涌的后续电流，从而保护 GDT。与单个 MOV 相比，IsoMOV 器件的几何形状可增加单位面积的浪涌容量。

在设计工程师看来，IsoMOV 器件以小型集成封装提供了更强的保护，这种封装将元器件数量和电路板空间都降到最小。例如，ISOM3-175-B-L2 是一款 IsoMOV 混合保护器，其 MCOV 为 175 V_RMS，能够处理至少 15 个 3 kA 额定浪涌，且最大钳位电压为 470 V（图 5）。该器件直径为 13.2 mm，厚 6.1 mm。直径随最大电流能力而变化，厚度随 MCOV 的增大而增大。

图 5：ISOM3-175-B-L2 是紧凑型 IsoMOV 混合保护器的示例。虽然该器件包括两个 MOV 和一个 GDT，但其直径只有 13.2 mm，厚 6.1 mm。（图片源：Bourns）

Bourns IsoMOV 系列具有 3 kA、5 kA 和 8 kA 三种不同的额定电流，额定 MCOV 的范围为 175 - 555 V_RMS。中等器件包括 ISOM5-300-B-L2，这是一款 300 V_RMS、5 kA 器件，其直径 17 mm，厚 7.1 mm。在大电流端是 ISOM8-555-B-L2，这是一款 8 kA 器件，具有 555 V_RMS MCOV。该器件的直径 23 mm，厚 9.4 mm。所有这些器件的工作温度为 -40℃ 至 +125℃。

与单独使用 MOV 和 GDT 相比，Bourns 的 IsoMOV 混合保护器以更小的空间达到了这些最先进的浪涌等级。该保护器具有超低漏电流，而且串联 GDT 延长了 MOV 的使用寿命。此外，所有 IsoMOV SPD 都被列为 UL1449 第 4 类部件，使其更容易被设计为浪涌保护器。

实施符合 IEC/UL62368-1 标准的保护

IsoMOV 组件非常有助于实施符合 IEC/UL62368-1 标准的解决方案。新型 IEC/UL 62368-1 音频/视频和信息通信技术设备的安全标准基于危险安全工程 (HBSE) 原则，用于设备用户的人身安全和实施安全措施。该标准确定了潜在的危险能量源以及在正常运行和故障条件下，能量可以传递给用户的过程。

图 6 中推荐的电源输入保护设计包括从线路到中性点、线路到保护地以及中性点到保护地的保护器件。

图 6：推荐采用的符合 IEC/UL62368-1 标准的电源输入保护设计包括从线路到中性点、线路到保护地以及中性点到保护地的保护器件。（图片源：Bourns）

使与 MOV 串联的 GDT 或者 IsoMOV 位于线路与地之间或中性点与地之间，是为了防止单独使用 MOV 时可能发生的触电。如果没有连接保护地，仅 MOV 的漏电流就可能高到足以在用户触碰到隔离接地路径时造成伤害。将 GDT 串联可以消除这种漏电流。

与 MOV 和含有 MOV 的器件有关的危险包括由于漏电流过大造成的电击以及火灾风险。由于其故障模式，MOV 被视为潜在起火源 (PIS)，要求设计包括减少起火可能性并阻止任何火灾蔓延的步骤。

浪涌保护器有助于提高产品可靠性，且必须符合标准要求的具体测试。例如，MOV 的 MCOV 必须至少是设备电压范围上限的 1.25 倍。对于电源输入范围为交流 85 V 至 250 V 的设备，该设备的线路保护 MOV 的最小 MCOV 应为 313 V。对于含有横跨线路的 MOV 的线路保护电路，应能承受基于两倍标称额定值的线路电压的测试。输入电流通过电阻器依次限制为 0.125 A、0.25 A、0.5 A、1 A 和 2 A。鉴于 MOV 是潜在火源，测试一直持续到 MOV 失效为止。对于 MCOV 大于 2 倍最大额定线路电压的 MOV，不需要进行这种测试，因为在这些条件下 MOV 发生故障的可能性非常小。

结语

IsoMOV 混合保护器为电子系统提供了更优秀、更紧凑的保护器件，因为在基础设施老化或保护不力以及用户保护标准不断变化的情况下，电子系统正在加速进步、缩小和激增。除了卓越的性能和节省空间外，这些保护器还具有扩展温度范围、低泄漏和高能量处理能力。虽然这类器件对暴露于高浪涌的工业应用特别有用，但它们也能很容易地在音频/视频、信息通信技术设备中实施，以满足基于危险安全工程 (HBSE) 的 IEC/UL62368-1 标准。