瞬态过电压保护电路的设计思路

随着电子镇流器,电子节能灯市场日益激烈,进一步提高电子镇流器的性能已成必然趋势。国标GB15143 - 94《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》第4. 12 条规定:电子镇流器不应因电源中瞬时过电压影响其性能或受伤害。因此,各电子镇流器生产厂家都应重视保护电路的设计,确保电子镇流器在正常工作时能防护瞬态过电压的侵害,提高产品的安全可靠性。

瞬时过电压产生的原因和侵入途径

一般来讲,瞬时过电压主要指雷电感应过电压和操作过电压,当感应雷击及雷电电磁脉冲通过电源线侵入电子系统时就会产生感应电动势,感应电动势叠加在电源线路上,就会产生瞬时高压脉冲,在线路上重叠的瞬态脉冲电压,通常远远高于一般电子设备所能承受的耐压水平,从而击毁各类用电设备,使设备遭受永久性的损坏。为了保护电子设备不受过电压的侵害。目前,预防瞬态骚扰的最有效
的办法是采用浪涌吸收器件,常用的浪涌吸收器件就有压敏电阻,TVS 管等等。它的基本用法是将该吸收器直接与被保护的用电设备并联。通常用一种或几种特殊脉冲波形的峰值电流来考核这些器件的浪涌吸收能力。目前国际和国内防护级产品标准中经常见到的是用8/ 20μs 冲击电流脉冲波形(电流脉冲的前沿是8μs ,半峰波持续的时间是20μs ) 考核设备抗干扰性能。它是IEC801 - 5 中规定的标准
电流脉冲波。而通信系统中常用10/ 1000μs 的冲击电流来考核。

2 　电子镇流器瞬态过电压保护电路的工作原理

通常,供电电网中有时会出现高幅值(如1 kV左右) 的瞬态脉冲电压,但电子镇流器由于受成本的限制,功率变换器件的参数余量不大,为使电子镇流器可靠工作,应对这种高幅值的瞬态干扰加以抑制。一般应在电子镇流器的电源线路或者其他被保护的电子元器件前端设计瞬态过电压保护电路,典型的保护电路见图1。当电路中出现雷电感应过电压或瞬态操作过电压Vs 时, 保护电路和被保护的设备(或者线路中的元器件) 同时承受了过电压Vs ,由于压敏电阻(保护电路的核心元件) 的响应速度快,他以纳秒级的时间迅速呈现优良的非线性导电特性(图2 中的击穿区) ,使压敏电阻其两端的电压迅速下降,远远低于Vs 值,有效地将过电压限制在被保护设备或被保护元器件的绝缘耐压值等级下,从而使电子镇流器免受过电压的伤害。保证了电子镇流器不因电源中瞬时过电压而影响其性能或受伤害。

普通压敏电阻器的伏安特性见图3 ,它并联在电子镇流器的电源输入端,熔断保险丝的后端(图1) ,线路的保护方式主要有相线与零线的防护,相线与地的防护,零线与地的防护。其外形结构见图4。

线路正常工作时,压敏电阻器只相当于一个小容量的电容器,对电源线路具有一定的滤波作用,并不影响线路的正常工作。当电路的输入端,出现瞬态过电压且过电压超过压敏电阻的压敏值时,压敏电阻的内阻急剧下降,呈导通状态,从而使输入电压通过压敏电阻泄放短路,此时,其工作电流迅速增加,使串联在电源输入端的保险丝瞬间熔断,从而保护了电子镇流器中各元器件不会被过高的瞬态过电压所烧毁。

特别注意,压敏电阻器的最大特点就是能够吸收极大的瞬态浪涌能量,但它不能承受毫安级以上的持续电流,在过电压保护电路中,它不能长期工作在过电压状态下。因此,在电子镇流器中应用压敏电阻时应在电源输入端配置合适的保险熔丝或保险管

3 　压敏电阻器的选择原则

3. 1 　压敏电压值的选择

首先是标称电压的选择,压敏电压值选得过高,意味着增大了保护电路的动作电压,同时压敏电压值越高,相对的残压会增高,则压敏电阻对电子镇流器可能起不到保护作用。如果压敏电压值选的太低,频繁的过电压冲击,会使压敏电阻器的性能有所下降,漏电流增大,当压敏电压低于电源电压的峰值时,造成压敏电阻器的劣化失效,不仅会影响电子镇流器的正常工作,甚至可能烧毁压敏电阻器本身。

一般情况下,为了保证线路的正常工作,同时又为了保证压敏电阻器在保护线路的同时,自己不受损害,压敏电压值的选择应确定在一定的范围内。通常情况下,在保护电路中,压敏电压的最小值确定应满足公式(1) 的要求。另外,压敏电压的最大值还应根据

保护线路的耐压水平满足公式(2) 的要求:

V1 ≈2. 2Vac

或V1≈2. 0Vdc (1)

式中:V1 ———表示1mA 直流电流下的压敏电压值;

Vac ———表示交流电压的有效值;

Vp - p ———表示交流电压的峰- 峰值;

Vdc ———表示直流电压值。

V1 ≤0. 9Vz/ Kp (2)

式中:Vz ———表示被保护设备(或元器件) 的脉冲绝缘耐压值;Kp ———限制电压比,是一个与材料有关的常
数。

例如:某电子镇流器的交流电压为220Vac ,那么,压敏电阻器的最小电压值应为V1 = 115 × 2 ×220V = 467 V。按照IEC 的有关规定, 电子设备的防护等级为D 级防护, 其绝缘耐压值一般规定为115kV。实际上,对于具体的电子镇流器产品而言,

如果整流电路的脉冲耐电压为1 000 V～1 200 V ,普通0～10 KA 通流容量的压敏电阻,若Kp 值为117～118 ,通过计算,压敏电阻的最大压敏值应为V1 ≤019Vz/ K≈019 ×1200/ 117≈643 V。因此,对于供电电压相对稳定的220Vac 电源系统的电子镇流器产品,一般选用MYG3/ 300 (压敏电压为470 V) 型的压敏电阻器。对于电源电压为120Vac 的电子镇流器,

通常选用MYG3/ 150 (压敏电压为250 V) 型的压敏电阻器。当然,在电路设计已经确定的条件下,也可通过大量的试验确定实际电路的保护水平,选择更加合适的压敏电阻器。

3. 2 　通流量的确定

在选择压敏电阻器时,要充分考虑电子镇流器的实际工作环境因素,满足线路的安全防护要求。表1 为部分不同型号的压敏电阻器在不同浪涌电流峰值下的残压试验情况,从表中可以看出,选择的压敏电压值越高,残压越高(相同峰值电流情况下) ,同

一型号的压敏电阻器经受的峰值电流越大,残压也会有所加大。另外,表2 为一组Ф7、Ф10 或Ф14 等不同片径的压敏电阻器通流试验情况,从表中可以看出,对于不同片径的压敏电阻器,其所能承受的浪涌电流也不一样。通常,对于使用同一配方制作的压敏电阻器,片径越大,压敏电阻器能承受的最大峰值电流也就越大,相应的残压也会有所增加,但其增加的程度远远低于通流的增加幅度。因此,选型时,
应根据线路的耐压水平,外界可能产生的电涌电压,尽可能选择通流比较大的压敏电阻器,以保证线路长期持续的正常工作。