硬件知识累计 TVS管选型防止浪涌

news2025/1/16 8:43:38

1. 首先了解浪涌

1.1 浪涌是什么

浪涌（electrical surge），顾名思义就是瞬间出现超出稳定值的峰值，它包括浪涌电压和浪涌电流。

浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。

1.2 浪涌电流（浪涌电压）

电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。

1.3 浪涌是怎么形成的

浪涌也叫突波，就是超出正常电压的瞬间过电压，一般指电网中出现的短时间象“浪”一样的高电压引起的大电流。从本质上讲，浪涌就是发生在仅仅百万上之一秒内的一种剧烈脉冲。浪涌电压的产生原因有两个，一个是雷电，另一个是电网上的大型负荷接通或断开(包括补偿电容的投切)时产生的。

（1）雷电是自然界发生的极为强烈的电磁暂态过程。主要通过两个个渠道对电力自动化设备产生影响。一是雷电直接击中变电站或调度中心的避雷针、避雷线，产生的瞬变电磁场对周围空间范围的电子设备的电磁作用，对封闭的金属回路产生压电流，对开口的金属回路产生感应电动势。由于雷电电磁脉冲的作用十分强烈，感生的电压可能很高。经地线泄放入地的雷电流引起地网电压升高，在接地系统中各接地点间产生很大的电压差，它们都可能对自动化设备造成干扰，轻则影响正常运行，严重的则会引起设备损坏。二是雷电在线路上空的雷云之间放电，或对线路附近的大地放电，都会使线路因电磁感应产生雷电冲击波或浪涌电压，这种冲击波会沿着线路入侵到与之相连拉电力自动化设备，造成工作错误或设备损坏。若雷电直接击中线路时，产生的浪涌电压更为强烈，危害更大。

（2）当某些大容量的电气设备接通或断开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流。一般不管设备容量大小，都会存在浪涌电压，问题是小容量的设备产生的浪涌电压较小，不会产生多大的危害，因此常常被人们所忽略。在脱线变换器启动期间，因对大容量电容器充电会产生一个大电流。这个大电流比系统正常电流大几倍乃至几十倍(即所谓浪涌电流)，而这可能使AC线路的电压降落，从而影响连接在同一AC线路上的所有设备的运行，有时会烧断保险丝和整流二极管等元件。操作方式和故障形式的多样性决定了操作过电压的不同类别，主要有：中性点不接地系统中的弧光接地过电压，空载线路的合闸过电压，空载线路、空载母线和电容器分闸时的开断电容负载过电压，空载变压器、电抗器和电动机分闸时的开断电感负载过电压等等

1.4 浪涌的危害

造成浪涌（瞬变脉冲）的原因包括闪电、接地不良、感性负载切换、市电故障排除以及静电放电（ESD），其结果可能会造成数据丢失（或损坏）甚至设备的损毁。而其中以闪电破坏性最强。闪电击中以及触点开关产生的瞬间放电或电弧放电引起的电涌，从现象上看有：

 飞弧：在被损的部件上留下明显的电弧痕迹；

 电晕：在绝缘体表面上，有明显的电蚀痕迹，被蚀部位绝缘下降；

 控制电路的IC等元件损坏；（这个最危险）

 一般电子设备、家用电器的整流元件、稳压元件损坏；

 接地故障成设备带电（单相接地）：造成设备相间短路（电机相间短路）。

1.5 防止浪涌的操作

1. 器件保护（器件供电）

2. 分级保护（大功率输电）

1.5.1 器件保护

1.放电间隙（又称保护间隙）

2. 气体放电管

3. 压敏电阻

4. 抑制二极管（TVS）

5.扼流线圈

6. 1/4波长短路器

1.5.2 分级防护

1. 第一级保护

2. 第二级防护

3. 第三级保护

4.第四级及以上保护

1.5.3 防护浪涌的工作原理

⒈开关型：其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。

⒉限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。

⒊分流型或扼流型

分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。

扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

参考文章：浪涌（物理术语）_百度百科 (baidu.com)

想详细了解的需要观看上面的参考文章。

2. 防浪涌器件 TVS 选型与介绍

2.1 TVS 主要参数的含义

1. VBR : 反向击穿电压 （当TVS 两端的电压达到这个值的时候， TVS 二极管呈现低阻值的导通状态。）

2. VRWM ： 最大反向工作电压 。（当 TVS 两端的电压在这个电压值及一下时，TVS 二极管呈现高阻值的断路状态就是二极管的不导通状态。）

直流供电时 :Vrwm 值≥ 电路能工作的最大电压。

3. VC : 最大箝位电压 （就是有时候 TVS 反应不及时电压会达到这个值，这个值应该小于芯片可以承受的最大电压）

4. IPP : 最大反向脉冲峰值电流 （它指的是瞬态抑制二极管在受到电压脉冲冲击时，能够瞬时承受的最大电流。IPP通常以安培（A）为单位，并且其数值取决于具体的瞬态抑制二极管型号和规格）

5. IR ： 最大反向漏电流 (TVS二极管在不导通状态下流过的电流，电流值非常小，也叫待机电流。) （这个越小越好）

6. Ppp: 最大峰值脉冲功率 （PPP通常是最大峰值脉冲电流IPP与箝位电压VC的乘积，也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS管能承受的最大峰值脉冲功耗值。）

7.Rd : TVS内部阻值

8.结电容：当TVS管用于信号电路保护时，一定要注意TVS的结电容对信号传输或信号质量有影响。当信号频率或传输速率较高时，应选用低电容系列的TVS管。
TVS结电容容值与信号传输速率对应要求关系如后图所示，对应频率下，TVS结电容容值应不超过限制线。