浪涌保护器的概述及其在浪涌抑制器件中的应用
中心议题：
- SPD的成因和地位
- 常见的浪涌抑制器件特点
- 常见的浪涌抑制器件应用方案
引言
21世纪是计算机技术、微电子技术、通信技术迅猛发展的时代信息通信系及电子设备间的信息交流都是通过数据及高频信号进行传递。随着近代高科技的发展，尤其是微电子技术的高速发展，雷电灾害越来越频繁，损失越来越大，仅靠避雷针已无法保护建筑物、人和电器设备。微电子设备及信息系统的电磁兼容能力低，抗雷电、电磁浪涌的能力弱，而雷电浪涌又无处不在，因此浪涌防护器是现代化的大厦、银行、证交所、航空航天、船舶铁路、石油化工---只要是具备计算机系统、微电子设备、通信系统的场所必备的防护器件。近期多次、多处的通信暂停事故、设备损坏、油管油库起火爆炸事故，不少是由雷电浪涌引起的线路过电压) 过电流造成的，因此必须为建筑物、设备及系统安装浪涌防护器。
浪涌保护器(Surge protective device, SPD) , 也称电涌保护器、避雷器等, 浪涌保护器并联在被保护设备两端，通过泄放浪涌电流、限制浪涌电压来保护电子设备。泄放雷电流、限制浪涌电压这两个作用都是由其非线性元件（一个非线性电阻，或是一个开关元件）完成的。在被保护电路正常工作。瞬态浪涌未到来以前，此元件呈现极高的电阻，对被保护电路没有影响；而当瞬态浪涌到来时，此元件迅速转变为很低的电阻，将浪涌电流旁路，并将被保护设备两段的电压限制在较低的水平。到浪涌结束，该非线性元件又迅速、自动地恢复为极高电阻。它的作用是保证电子设备免受浪涌过电压(雷电过电压、操作过电压等) 的破坏, 既不影响设备的正常工作, 又将过电压限制在相应设备的耐压等范围内, 目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流, 也是等电位连接的一种方法。浪涌防护系统最常用的防护器件主要有氧化金属压敏电阻（MOV）、硅瞬变电压吸收二极管（TVS）、放电管等。不同特性的SPD应用于不同的雷电防护环境，并通过级联组合发挥作用。
1 SPD的成因和地位
SPD主要是保护电子设备免受雷电浪涌的危害 ,也兼而使电子设备免受大部分操作浪涌的危害。
1.1 浪涌的成因
浪涌是指瞬态电冲击 ,包括浪涌冲击、电流冲击和功率冲击。此处所谓瞬态是指持续时间大大低于工频周期(0.02s)的瞬变过程。对地闪击的雷电流波形的特点是上升时间极短 (0.1～几个s) ,而下降时间相对较长(几十到几百μs)的单极性波。典型操作浪涌波形是叠加在工频波形上的几百Hz到上百kHz的振荡波 ,整个持续时间不过几个工频周期。雷电和操作电涌的峰值与很多因素有关 ,出现在建筑物内的电涌从近kV到几十kV,如不加以限制会损坏电子设备。
电子设备遭受雷害会引起电子设备的误动;电源设备和贵重的计算机及各种硬件设备的损坏 ,造成直接经济损失;引起电子设备正常工作的中断 ,对社会造成不良影响和巨大的间接经济损失;还可能在微电子芯片中留下潜伏性的隐患 ,使电子设备运行不稳定和加速老化 ,给有关系统的工作造成无穷的麻烦。
雷电途径和综合防雷措施如图1所示。可以看出浪涌的成因有以下几个方面：
1.1.1 直击雷引起的反击
信息系统一般不暴露在可能直接遭受雷击的场所 ,直击雷直接破坏电子设备几无可能。雷害破坏电子设备的方式可能是由直击雷电流通过接地装置时造成的高电压使电子设备的薄弱环节击穿。这种雷害方式称为反击。
1.1.2 侵入波
雷电击中与电子设备连接的户外架空线(交流配电线、信号线、电话线) ,则雷电波就会沿线传入。这种方式称为侵入波。由于户外线延伸很广 ,因此雷电侵入的可能性较大。
1.1.3 雷电感应
直击雷电流通过引下线 (如建筑物结构钢筋) 时在室内引起电磁感应。虽然感应电压不如前述几种高 ,却也足以破坏电子元件 ,而且它最接近电子设备 ,在建筑物内部各处都可能出现。设备越是接近雷电流引下线 ,感应电压越高。另一种情况是雷击建筑物附近地面 ,雷击通道的强电流产生的磁场也能在建筑物内部引起电磁感应。如雷电流较大 ,建筑物附近1.5～2 km的雷击就有可能影响室内的电子设备。
1.2 浪涌保护在综合防雷体系中的地位
浪涌保护通过泄放雷电流、限制浪涌电压来保护电子设备 ,是电子设备防雷的主要手段 ,也是内部防雷保护的主要措施,从而成为综合防雷体系（图2）中的重要组成部分。仅有接闪器、接地装置 ,并不能避免雷电波沿线路的入侵;也不能在实际可能的低接地电阻值下防止反击。为了保护电子设备还需要电涌保护。反过来讲,浪涌保护也以外部防雷保护为前提 ,浪涌保护也应与内部防雷保护其他措施(等电位连接 ,屏蔽) 密切配合。除非本建筑物受到附近其他更高建构筑物提供的直接雷防护 ,包含电子设备的建筑物应具备一定的外部防雷保护措施。没有接闪器 ,建筑物的安全都不能保证,何谈内部设备的安全。建筑物的接地电阻值过大,易于发生反击,反击时大部分雷电流不是向地下泄放而是经SPD流向配电变压器 ,加重了SPD的负担。
作为一种保护措施 ,浪涌保护器的配置和浪涌保护系统的设计应与人身保护措施(直接接触保护和间接接触保护 ……漏电保护)、短路保护等协调 ,共同保证人身安全、设备安全和系统(如供电)工作的连续性。有些设备 ,如医疗急救设备 ,设备安全与人身安全密切相关。
2 常见的浪涌抑制器件特点及应用
2.1 金属氧化物压敏电阻（Metal oxide varistor）
压敏电阻由金属氧化物（主要是氧化锌）材料组成，属箝位型器件，其特性与两只背对背联接的稳压管非常相似，有着毫微秒级的响应速度。压敏电阻对瞬变信号的吸收能力与其体积成正比：其厚度正比于电压；面积正比于电流。压敏电阻是目前在电子产品中使用最广泛的浪涌抑制器件。当压敏电阻上的电压超过一定幅度时，电阻的阻值大幅度降低，从而将浪涌能量泄放掉。在浪涌电压作用下，导通后的压敏电阻上的电压（一般称为箝位电压），等于流过压敏电阻的电流乘以压敏电阻的阻值，因此在浪涌电流的峰值处箝位电压达到最高[1]。
每一块压敏电阻从制成时就有它的一定的开关电压，当加在压敏电阻两端的电压低于该数值时，压敏电阻呈现高阻值状态，如果把它并联在电路上，该阀片呈现断路状态；当加在压敏电阻两端的电压低于该数值时，压敏电阻被击穿，呈现低阻值，甚至接近短路状态。这种击穿状态是可以恢复的。其开关特性如下图3 所示：
2.1.1 压敏电阻的特点：
ａ）优点：电压范围很宽，可从几伏到几千伏；吸收浪涌电流可从几十到几千安培，反应速度快，无极性，无续流，峰值电流承受能力较大，价格低。
ｂ）缺点：钳位电压较高，一般可以达到工作电压的２-３倍；而且，随着受到浪涌冲击次数的增加，漏电流增加；另外，响应时间较长，寄生电容较大。
ｃ）适用场合：直流电源线、低频信号线，或者与气体放电管串联起来用在交流电源线上 。
2.1.2 压敏电阻的选择：
ａ）从抑制瞬变干扰的角度出发，压敏电压要尽量降低以接近被保护电路的工作电压；从提高元件寿命来看，又要拉开两者差距。一般折衷的选取方案为：对交流工作电路，压敏电压值为工作电压的2.2倍；对直流工作电路，压敏电压值为工作电压的1.5倍。
ｂ）通流量的选取：在实际应用中，压敏电阻所吸收的最大浪涌电流应小于它的最大通流量。对同一应用场合，当最大通流量增加一倍，压敏电阻的寿命也同步增加一倍。
2.2 硅瞬变电压吸收二极管（Transient voltage suppressor）
TVS为电压箝位型工作方式，亚纳秒级的响应速度。TVS有多种封装方式，可满足不同场合的需要。当 TVS上的电压超过一定的幅度时，器件迅速导通，通过PN结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉。由于这类器件导通后阻抗很小，因此它的箝位电压很平坦，并且很接近工作电压。
2.2.1 硅瞬变电压吸收二极管的特点
ａ）优点：响应时间短，漏电流小，击穿电压偏差小，箝位电压低（相对于工作电压）动作精度高，无跟随电流（续流），体积小，每次经受瞬变电压后其性能不会下降，可靠性高。
ｂ）缺点：由于所有功率都耗散在二极管的PN结上，因此它所承受的功率值较小，允许流过的电流较小。一般的TVS器件的寄生电容较大，如在高速数据线上使用，要用特制的低电容器件，但是低电容器件的额定功率往往较小。
ｃ）适用场合：浪涌能量较小的场合。如果浪涌能量较大，要与其它大功率浪涌抑制器件一同使用，则把它作为后级防护。
2.2.2 硅瞬变电压吸收二极管的选择
ａ）最大箝位电压VCMAX应不大于电流的最大允许安全电压。
ｂ）最大反向工作电压VRWM应不低于电路的最大工作电压，一般略高于电路的工作电压。
ｃ）TVS额定的最大脉冲功率必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。
ｄ）对小电流负载的保护，可在二极管之前串接适当的限流电阻，从而可选用小的峰值吸收功率的VS来担任这一功能。
2.3 气体放电管（Gas discharge tube）
气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体（氩气或氖气）构成。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，器件变为短路状态，使电极两端的电压不超过击穿电压。气体放电管一旦导通后，它两端的电压会很低。气体放电管有两极和三极之分，可分别用于线间和线－地间的保护。其伏秒特性如下图5：
2.3.1 气体放电管的特点
ａ）优点：承受电流大，绝缘电阻高，漏电流小，寄生电容小。
ｂ）缺点：点火电压高，残压较高，反应时间慢≥100ns），动作电压精度较低，会慢性漏气、有光敏效应、离散性大。有跟随电流（续流）。若跟随电流的时间较长，会导致放电管触点迅速烧毁，从而缩短放电管的寿命。
ｃ）适用场合：信号线或工作电压低于导通维持电压的直流电源线上（一般低于10Ｖ）；与压敏电阻组合起来用在交流电源线上。它具有很强的冲击电流吸收能力，但有着较高的起弧电压，所以比较适合做一级粗保护。
2.3.2 气体放电管的选择
在直流电路中气体放电管的标称电压选择为工作电压的1.8倍；在交流电路中选择为工作电压有效值的2.5倍。气体放电管标称电流容量应大于被保护电路的可能最大浪涌冲击容量。由于有跟随电流（续流），气体放电管一般不可使用在直流电路中，除非直流工作电压低于气体放电管的击穿维持电压。
2.4 其它浪涌吸收器件
2.4.1 固体放电管
固体放电管是一种新的瞬变电压吸收器件，与气体放电管一样同属能量转移型保护器件，但性能更理想。如通态压降仅3V左右，接近短路；纳秒级的响应速度；动作电压稳定；使用寿命长；能双方向吸收正、负极性的瞬变电压。 固体放电管有一定的结电容；在脉冲状态下触发电压较直流击穿电压稍有提高（如200V的管子其脉冲触发电压为350V），比气体放电管要好得多。固体放电管的失效模式是短路，其意义在于不会使故障扩大，也便于值班人员及时发现故障和处理故障[3]。
2.4.2 晶闸管型防护器件
晶闸管型防护器件有两种：
ａ）控制栅极型双向三端器件， 如SCR、TRLAO等。因为大多数电源电路的输出端都有电压过载保护，用一个电平触发SCR的控制栅极将输出短路而中断供电，响应时间约100μS，这对电压敏感的器件有可能造成损坏，它的优点是耐电流量大，缺点是点火电压易变化，响应时间慢。
ｂ）控制维持电流型双向两端器件。由PNPNP五层组成，其结构是在单芯片上逆向并联组成的复合器件。该器件的直流放电开启电压与响应时间的关系基本上不随浪涌电压上升率的增加而增加，浪涌电流增加时，该器件的直流放电开启电压基本保持不变。该器件还具有响应速率快、不需多级防护电路、耐电流量大、静电容量小、可靠性高等优点，特别适用于防护雷电浪涌。
2.5 气体放电管和压敏电阻组合应用
气体放电管和压敏电阻都不适合单独在交流电源线上使用。一个实用的方案是将气体放电管与压敏电阻串联起来使用。如果同时在压敏电阻上并联一个电容，浪涌电压到来时，可以更快地将电压加到气体放电管上，缩短导通时间。这种气体放电管与压敏电阻的组合除了可以避免上述缺点以外，还有一个好处就是可以降低限幅电压值。可以使用导通电压较低的压敏电阻，从而可以降低限幅电压值。
该连接方式对浪涌电压的抑制作用如图6所示。采用组合式保护方案能发挥不同保护器件的各自特点，从而取得最好的保护效果。
参考文献：
[1]尹天文，王碧云，蒋容兴.电涌保护器脱离器的设计与研究[J].低压电器，2006(08)：45-46
[2]许年生，刘明东.开关型SPD触发技术的探讨[J].低压电器，2010(07):14-17
[3]王宏民.ABBOVRT1电压开关型SPD的技术特点[J].低压电器，2010(07):57-60
