19课、压敏电阻的应用

压敏的使用方案，失效模式，以及解决方案

19、压敏电阻的应用

• 示例1
  • 某产品，做浪涌 L-N 差模 1000V 实验时，MOS 管直接击穿损坏，一般 MOS 失效，很多时候都是过电压过电流损坏，正好测试的浪涌，怀疑过电压导致 MOS管击穿，先看原理图，产品电源输入接口 LN 之间有接压敏电阻，把发生器浪涌电压调到 500V，降低实验电压，使用示波器和高压探头测试压敏电阻两端电压，此时是 638V，目前使用的压敏电阻箝位电压是840V
  • 查MOS管规格书，DS极间耐压为700V水平。
  • 所以，这个问题就成了，压敏电阻本来为了保护后级器件，那么其箝位电压要小于后级器件耐压......
  • 解决方案
    • 第一，再精细箝位，两级保护电路，此时可能还需要增加电感和TVS，代价比较大。
    • 第二，提高后级器件耐电压水平，使得保护电路钳位电压小于后级器件耐压，选择MOS耐压水平900V的管子900V>840V
• 压敏起火失效
  • • 压敏直接爆炸
  • • 压敏电阻起火
  • 1、老化失效，这种是指压敏电阻长时间加在电源两端，使得电阻体的低阻线性化逐步剧，漏电流恶性增加，此时漏电流集中流入薄弱点，薄弱点材料融化形成短路孔后，电源继续推动一个较大的电流灌入短路点，形成高热而起火，这种其实就是压敏漏电流影响，漏电流增大，温度升高，加剧漏电流增大，温度又升高直至短路失效。
  • 2、暂态过压破坏，这种是较强的暂态过电压使电阻体穿孔，导致更大的电流而高热起火，因为电网上电源波动很大，导致压敏在过电压下损坏，这种一般主要交流电网上比较多，交流电网线地间压敏经常容易起火
• 解决方案：
  • 1、GDT+MOV防护解决方案 这种设计方案，避免了压敏电阻漏电流产生， 工作原理：正常工作时气体放电管不导通，开路，压敏电阻没有漏电流，浪涌冲击时，气体放电管由于阻抗高分压很大，首先击穿，然后压敏电阻导通限制浪涌电压，浪涌过后，由于压敏电阻关断，放电管不能维持导通而熄弧，恢复为正常工作状态。
    • 压敏与气体放电管串联电路试验对比
      • • 蓝色线是单独 14D471K 压敏测试次数与漏电流，单独使用 MOV做浪涌测试，此时测试漏电流，浪涌测试30次，MOV漏电流直线增大，也就是说短路失效了
        • 红色线，是 14D471K与600VGDT 串联时测试次数与漏电流，从图里面可以看出，MOV和GDT串联时，浪涌测试120次，漏电流才直线增大，此时短路失效。
        • 两相对比，MOV+GDT组合防护，稳定性更好，可靠性更高！
      • • 蓝色线是单独 14D471K压敏浪涌测试次数与击穿电压，可以看出，单个压敏进行浪涌实验，测试30次，压敏电阻的压敏电压直线下降，失效了
        • 红色线是14D471K与600VGDT串联时浪涌测试次数与压敏电压。
        • 可以看出，MOV+GDT方案，进行浪涌实验，测试120次，压敏电压直线下降，失效了！
  • 2、热脱扣压敏电阻TMOV。 热脱扣压敏电阻，顾名思义，受热可以脱扣的压敏，即关断的压敏 热脱扣压敏电阻原理，TMOV是把温度保险丝和压敏电阻包封在了一起！MOV 在失效瞬间温度保险丝能更快断开，使压敏电阻失效时呈开路模式，避免传统 MOV短路失效引起电路起火燃烧；直白点就是压敏电阻漏电流增大，保险丝温度升高而断开，这个时候压敏电阻还没有起火燃烧，保险已经断开了。
    • 这是三端 TMOV 最常见的接法，其中一个管脚接发光二极管，TMOV 正常时，发光二极管长亮，如果TMOV失效了，发光二极管熄灭，这是一个相当巧妙的设计，提醒工程师可以更换TMOV了，这种设计方式，既能防止压敏电阻失效，而且失效后还能提示。
    • 这种是串联连接方式，保险管串联在 L 上，MOV 并联在 LN之间，MOV失效后保险管可以断开，但是负载也停止工作了！ 这种方式有缺陷，电路会由于保险管损坏而停止工作。
    • 这种是并联连接方式，保险管和压敏电阻串联，然后一起并联在LN之间，另外一个管脚接发光二极管，这种方案，TMOV失效后发光二极管提示，非常完美。
  • 3、FUSE+MOV防护解决方案，就是人为给压敏防护电路串联保险管
    • 第一种，保险管串联在供电主回路上，压敏电阻失效时，保险管可以断开。 有个问题就是保险管失效时供电电路也会同时断开，意味着负载直接开路
    • 第二种方案，保险管和压敏电阻串联后再并联在电源电路，这个时候，当压敏电阻失效时防护电路的保险断开，但是此时，主回路仍然正常工作，问题是，下次雷击过来的时候，防护电路也失去了保护作用
• 案列
  • 现象
    • 一个室外网络设备，使用AC220V供电，市场上会出现起火失效故障。 起火比较严重，看这个召回的板子的话，可以看到，起火位置是防护电路和滤波电路
  • 分析
    • 这是单板防护和滤波电路原理图，从图上看，接口防雷采用的是压敏电阻和气体放电管， 差模使用的是压敏电阻，共模，是压敏电阻串联 GDT，其中，防护电路压敏电阻压敏电压是385V，气体放电管直流击穿电压是600V
    • 但这个产品，现场使用环境比较恶劣，主要是在楼道，农村等，电网电压波动等问题比较突出，根据电网的标准，中性线经低阻接地的HV系统引起的LV系统暂态过电压可上升到1200V，时间持续200ms-5s，这个过电压比较大，持续时间也很长，相对于浪涌持续us来说的话！
  • 结论
    • 所以，这个时候，防护电路会在过电压下响应，持续导通，那么，改进时就要兼顾产品的防护设计以及防护器件不失效，此时选择的放电管电压，要大于 1200V，所以，改进时提高共模防护器件的动作电压，将GDT的直流击穿电压提高到 1500V，1500V电压能够耐受电网过电压，降低起火失效的风险！
• 总结与疑问
  • 放电管与压敏电阻并联在L/N线上，动作的电压是多少？放电管的击穿电压、压敏的浪涌电压还是放电管的击穿电压+压敏的浪涌电压？
  • 动作的时间问题，压敏的动作时间还是放电管的浪涌时间
  • • 压敏电阻串联放电管,因两者内阻差异较大，串联后分压不同，可简单理解开启电压为放电管击穿电压，关断电压为压敏电压， 压敏电阻器与气体放电管串联，在不影响压敏保护水平的前提下，可略降低V1mA值，一方面气体放电管可以阻断系统正常工作时压敏中的泄漏电流，减缓压敏电阻器的性能的劣化；另一方面利用压敏电阻器响应速度快、非线性特性好、通流容量大等诸多优点，及时对电气设备进行保护，杜绝气体放电管放电时的续流问题、动作灵敏度问题、以及对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制等问题