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技术文章—交流电源线保护的高性能解决方案

电子产品在我们所有应用领域中的使用有助于提高人们对电能质量的认识。 电子设备的广泛使用引发了能源效率问题,尤其是涉及整个电网的干扰问题,对设备和仪器产生了负面影响。 新型工业4.0中涌现的人工智能技术需要不间断且无故障的供电。 电能质量的扰动通常定义为电压,电流或频率的变化。 这些扰动可能会妨碍系统的正常运行,从而改变产出水平和整个生产活动。

交流电源线上的干扰会导致许多设备发生故障,包括数据传输错误,电源损坏或对属于整个网络的工业系统造成破坏。 瞬变、尖峰和其它异常是电源线上的典型干扰。 在设计适用于工业应用的保护系统时,请务必考虑所有这些重要因素。 针对各种电压和电流值的保护解决方案代表了各种应用市场的巨大需求。

交流电源线上的干扰

根据IEEE标准的定义,电源扰动可以用瞬变、暂态过压、畸变和频率变化来表示。瞬变电压波动是由于电源变化、雷电、感应负载切换、静电放电等可能引起的暂时性电压波动。这些瞬变的影响程度可能从轻微到灾难性不等。

瞬变是电源扰动中最具破坏性的类型,分为两个子类:脉冲型和振荡型。 脉冲瞬变是高峰值事件,主要由于大气中发生的放电而在正或负方向上增加电压和/或电流水平。 涉及脉冲瞬变的两种最可行的保护方法是消除潜在的静电放电和使用瞬态电压抑制器件。 另一方面,振荡瞬变是电压,电流或两者兼有的突然变化,它以系统的固有频率振荡。

暂态过压或过电压是指交流电压的升高,持续时间可从0.5个周期到1分钟。 暂态过压的常见起因有:是高阻抗中性线连接、(高)负载突然降低,以及三相系统上的单相故障。 过电压代表了导致电压尖峰的长期影响。 过电压可被视为持续的暂态过压。

畸变以各种形式出现。 谐波是频率为基波频率数倍的正弦波。例如,三次谐波的频率为150 Hz; 这是50 Hz基本频率的三倍。 五次谐波的频率为250 Hz。 该标准要求总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)不超过8%,并考虑到最高40次谐波的水平。 间谐波是一种波形失真,通常是由电气设备(例如静态变频器,感应电动机和用于形成电弧的设备)信号串扰电源电压引起的。

频率变化在电力系统网络中很少发生。在配备备用专用发电机或供电基础设施差的场所,频率变化更为常见,尤其是在发电机负荷较高的情况下。欧洲50 Hz的频率必须在供应年95%的时间内保持在±1%的公差内;同时,在任何时候都不得超过4%或下降超过6%。该标准假定该频率是在10 s间隔内测得的平均值。

解决方案

过电压保护元件可分为两种基本类型:撬棍型元件件和钳位型元件。钳位型元件,如TVS、MOV及钳位二极管,具有更快的响应时间,但其电流处理能力有限,因为瞬态能量必须通过元件钳位消散。撬棍型元件可以处理较强的过电流,因为在其导通状态下,元件两端的电压极低。在实践中,它们充当某种短路装置,改变电流路径,从而使电流远离组件的主要部分。

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图1:TO-218封装的Pxxx0MEL系列。

Pxxx0MEL为50 / 60Hz AC单周期正弦波浪涌提供5000A 8/20 IPP(峰值脉冲电流额定值)和最小400A ITSM。

Littelfuse SIDACtor晶闸管是撬棍型的,经过优化,可以保护处于强过电压瞬变环境中的设备。5 kA和3 kA Pxxx0FNL Pxxx0MEL系列具有几个优点。 例如,钳位优于传统的用于保护交流线路的无源MOV技术,可提供针对过电压的高电位保护。 此外,较低的导通电压可确保长期保护期间的热量积聚较低。 这些撬棍型半导体器件可以承受更多次的过电压冲击,满足最小的降级要求(图1和图2)。 Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0MEL系列还可以与MOV串联,为因较高钳位电压而损坏的电路提供低钳位保护(图3)。 该电路布局为交流线路提供了过电流和过电压保护。

图2:具有串联过电流保护的P3800MEL Crowbar解决方案。 

在经典的工作条件下,保护组件对电线是透明的。 当感应电压峰值高于P3800MEL的Vdrm时,就会过渡到低电阻状态。 保险丝可保护SIDACtor。 该配置为设计人员提供了一个用于SIDACtor的增强型过电流保护的选项。

图3:SIDACtor与前面有熔断器的Littelfuse MOV V20E130P(交流130V)串联。

MOV的晶体结构由随机取向的金属氧化物颗粒制成,这些颗粒显示了P-N结半导体特性。在低电压下工作的电路中,只有少量的电流流入压敏电阻,这是由于通过P-N结的反向扩散造成的。当施加达到整个系统保护条件的瞬态高压,或者超过压敏电阻的击穿电压时,这些P-N结会发生雪崩击穿,压敏电阻成为导体。压敏电阻不能为持续电压升高的故障提供保护,即使电压幅度明显低于其设计的瞬态电压也是如此。此外,压敏电阻的确会出现退化现象,在多次电涌作用下,压敏电阻开始老化。

TVS二极管的进步使该技术成为金属氧化物(MOV)压敏电阻的有效替代品,可保护交流和直流电源免受过电压和间接雷击的影响。这些器件不仅在交流和直流电源线应用中提供比MOV更高的可靠性和更长的抗重复过电压寿命,而且由于电缆的电感较低,因此使用表面贴装封装可提供更好的过电压响应。为了保护CAN总线免受ESD,EFT和其它电压瞬变造成的损害,Littelfuse生产了一系列TVS二极管阵列,用于工业自动化控制应用。这些器件符合AEC-Q101标准,可以安全地承受3A的峰值电流。低电容(典型值11.5 pF)可保持信号完整性并最大程度地减少数据丢失。有时ESD事件可能会轻微损坏器件,但使其暂时仍能运行。这被称为潜在缺陷,它很难被检测到并缩短了该器件的寿命。许多电子器件容易受到低压ESD事件的影响。由于速度更快和尺寸更小的趋势,电子领域的ESD问题正日益增多。现代世界越来越多地由小型微处理器处理,它们对最小的电力波动也很敏感。这些微处理器出色地控制了快速的自动化机器人装配过程和无法承受停机时间的包装线系统。根据应用市场的不同,针对不同电压/电流水平的保护解决方案能够减少或避免由电能质量扰动引起的问题,为设备正常运行提供可靠基础。

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