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瞬态电压抑制器

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瞬态电压抑制器英文为Transientvoltagesuppressor,简称TVS,当TVS两极受到反向高能量冲击时,它能以10-12s级的速度,将其两极间的阻抗由高变低,吸收高达数kW的浪涌功率,使两极的电位箝位于预定值,有效地保护自动化设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。

瞬态电压抑制器的特性

  • 瞬态电压抑制器的正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。在浪涌电压的作用下,TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压Vbr而被击穿。随着击穿电流的出现,流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP,同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后,随着脉冲电流按指数衰减,TVS两极间的电压也不断下降,最后恢复到初态,这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的过程。

瞬态电压抑制器的主要参数

  • (1)最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID;

    (2)最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时,低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说,VWM=0.85VBR;对于10%的VBR来说,VWM=0.81VBR;

    (3)最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子,一般在1.2~1.4之间;

    (4)量C。电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数;

    (5)最大峰值脉冲功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且,TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,有可能损坏TVS;

    (6)箝位时间TC。TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10-12S;对双极性TVS小于10×10-12S。

瞬态电压抑制器与压敏电阻的比较

瞬态电压抑制器的分类

  • 瞬态电压抑制器器件按极性可分为单极性和双极性两种;按用途可分为通用型和专用型;按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插瞬态电压抑制器阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。

瞬态电压抑制器的选用

  • (1)确定被保护电路的最大直流或连续工作电压,电路的额定标准电压和最大可承受电压;

    (2)瞬态电压抑制器的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作;

    (3)瞬态电压抑制器的最大反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压

    (4)在规定的脉冲持续时间内,瞬态电压抑制器的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般,瞬态电压抑制器的最大峰值脉冲功率是以10/1000mS的非重复脉冲给出的,而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的,当脉冲宽度不同时,其峰值功率也不同。如某600W瞬态电压抑制器,对1000mS脉宽最大吸收功率为600W,但是对50mS脉宽吸收功率就可达到2100W,而对10mS的脉宽最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率还和脉冲波形有关,如果是半个正弦波形式的脉冲,吸收功率就要减到75%;若是方波形式的脉冲,吸收功率就要减到66%;

    (5)平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的瞬态电压抑制器,如应用在或电机控制等场合,有必要引入平均稳态功率的概念。例如,在一功率开关电路中会产生120Hz,宽度为4mS,峰值电流为25A的脉冲群。选用的瞬态电压抑制器可以将单个脉冲的电压箝位到11.2V。此中平均稳态功率的计算为:脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083S,峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W,平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积,即280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是说,选用的瞬态电压抑制器平均稳态功率必须大于0.134W;

    (6)对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适电容C的瞬态电压抑制器器件;

    (7)根据用途选用瞬态电压抑制器的极性及封装结构。交流电路选用双极性瞬态电压抑制器较为合理,多线保护选用瞬态电压抑制器阵列更为有利;

    (8)根据温度考虑,瞬态电压抑制器可以在-55℃~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作,由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从+25~+175℃,大约线性下降50%;击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此,必须查阅有关产品资料,考虑温度变化对其特性的影响。

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