MOV(壓敏電阻)選型和計(jì)算

#當(dāng)供電電源（插座）有專門的保護(hù)接地線（PE線）時(shí)，除了L-L之間的壓敏電阻外，我們還可以在每個(gè)L和PE之間再接一只壓敏電阻，這樣L、N與大地之間的雷擊過電壓也可以通過壓敏電阻被有效地抑制，從而避免絕緣擊穿和人身傷亡事故。L_PE、L—N之間的壓敏電阻在使用中必須要考慮故障過電壓對(duì)它造成的安全隱患（參見2.1.4）。L—PE之間的電壓（即壓敏電阻的連續(xù)工作電壓）在正常情況下等于相電壓（中國大陸地區(qū)為220V）,N—PE之間的電壓為零，因此L/N—PE之間壓敏電阻的壓敏電壓UN通常是根據(jù)相電壓最大值（220VX1.1=242V）選取的（UN=390V規(guī)格，即XXD391K）。但是當(dāng)常見的TTN供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，L—PE、N—PE之間的電壓就會(huì)上升，如圖2-2-3所示。當(dāng)火線L3發(fā)生單相接地時(shí)（圖2-2-3a），整個(gè)供電系統(tǒng)的等效電路圖如圖2-2-3b所示；如L3的接地電阻R3等于0，則N—PE之間的電壓由0上升至相電壓（220V），而L1/L2—P之間的電壓會(huì)由原來相電壓220V上升到線電壓380V。R3=0是理論上的最嚴(yán)重情況，實(shí)際上不可能為0,根據(jù)IEC61643-1的規(guī)定：L—PE之間的電壓會(huì)上升45%，即220VX1.45=319V，考慮+10%的電壓允許偏差，實(shí)際最大電壓可達(dá)到351VOXXD391K規(guī)格的壓敏電阻最大只能承受250V的連續(xù)工作電壓，因此當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，該規(guī)格的壓敏電阻處于不安全狀態(tài)。當(dāng)N線的接地電阻R1復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)要求（W10Q）時(shí)，保險(xiǎn)絲F3通?？梢栽??60秒內(nèi)切斷L3，從而使接地故障得以排除，在這種情況下，L1/L2—PE>N—PE之間的壓敏電阻有可能不起火或起火后自熄，但是當(dāng)Rp>10Q時(shí)，由于I太小，保險(xiǎn)1g絲F3根本無法動(dòng)作，單相接地故障因此無法排除,L1/L2—PE>N—PE之間的的壓敏電阻將會(huì)長時(shí)間地承受故障過電壓，起火燃燒問題將無法避免。為避免L—PE、N—PE之間的壓敏電阻在單相接地故障情況下出現(xiàn)起火燃燒的問題，我們通常采取加裝貼近壓敏電阻安裝且與之串聯(lián)的溫度保險(xiǎn)絲（thermalfuse）的辦法，對(duì)壓敏電阻進(jìn)行過熱保護(hù)，如圖2-2-2所示。在允許的保護(hù)電壓水平足夠高的情況下，我們也可以采取提高壓敏電壓UN的方法（在此例中選XXD621K或XXD681K）來避免壓敏電阻的起火燃燒。壓敏電阻的操作過電壓保護(hù)接線當(dāng)壓敏電阻主要用于抑制操作過電壓時(shí)，一般采用將壓敏電阻與電感性元部件并聯(lián)的接線方法，如圖2-2-4所示。2.3壓敏電阻過壓保護(hù)的數(shù)學(xué)原理2.3.1壓敏電阻抑制雷擊過電壓的數(shù)學(xué)原理電路中感應(yīng)到的雷擊過電壓可用一個(gè)沖擊電壓源來進(jìn)行等效計(jì)算。當(dāng)一個(gè)如圖2-3-1所示的電路遭到雷電感應(yīng)時(shí)，應(yīng)用沖擊電壓源的概念，雷擊就是在原有電路中疊加一個(gè)沖擊電壓源VS和該高頻沖擊電壓在線路中的等效阻抗XS（源阻抗‘SourceImpedance）；由于VS>>VB，所以在分析雷擊過電壓時(shí)工頻電壓源VB可被忽略不計(jì)，如圖2-3-2所示。

對(duì)工頻電壓源VB而言，設(shè)備電源線的阻抗是可以忽略不計(jì)的，但對(duì)高頻率的等效雷電壓沖擊源VS而言，設(shè)備電源線的阻抗是不可忽略的因素，我們可以將這個(gè)阻抗看成是沖擊電壓源的組成部分，并稱之為源阻抗XS。設(shè)備電源線的阻抗與電源線的長度和電壓波的頻率有關(guān)。一條長約5m的電源線，其阻抗和頻率的關(guān)系如圖2-3-3所示設(shè)備的電源線存在一定的電感和分布電容，一個(gè)從電源側(cè)侵入設(shè)備的1.2/50AS雷電壓波在傳播到設(shè)備的入口端時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變成RingWave波形（假設(shè)輸入阻抗無窮大且無壓敏電阻保護(hù)），該波形的典型頻率為100kHz，如圖2-3-4所示。circuitwtiichistobeprofeled根據(jù)戴維南定理，沖擊電壓源的短路電壓敏電阻接入電路后，如果沖擊電壓源VS的峰值遠(yuǎn)大于壓敏電壓UN，壓敏電阻導(dǎo)通并呈低阻態(tài)。由于被保護(hù)設(shè)備的輸入阻抗一般都遠(yuǎn)大于與之并聯(lián)的壓敏電阻的導(dǎo)通阻抗XV，所以流過壓敏電阻的沖擊電流峰值Ip及其壓敏電阻兩端的導(dǎo)通電壓（殘壓）UR均不受被保護(hù)設(shè)備的影響。壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的等效電路如圖2-3-5所示。circuitwtiichistobeprofeled根據(jù)戴維南定理，沖擊電壓源的短路電1）壓敏電阻在多次雷擊下的最大導(dǎo)通電壓和最大導(dǎo)通電流當(dāng)過電壓VS使非線性的壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)，壓敏電阻抑制過電壓的原理如圖2-3-6所示。圖中，loadline是一條直線，它與壓敏電阻V/I特性曲線的橫軸相交于1$,與縱軸相交于：；loadline與V/I特性曲線相交于Q點(diǎn)，該交點(diǎn)就是壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的工作點(diǎn)，即：Q點(diǎn)所對(duì)

應(yīng)的電壓uR就是壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的殘壓，所對(duì)應(yīng)的電流i就是壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)流過的沖擊Rp電流峰值。生產(chǎn)廠家提供的V/I特性曲線均為壓敏電壓為正偏差（+10%）時(shí)的情況，因此我們作圖得到的uR就是該規(guī)格壓敏電阻最大的導(dǎo)通電壓，得到的i也是壓敏電壓為正偏差Rp（+10%）時(shí)的導(dǎo)通電流，但ip并不是導(dǎo)通電流的最大值。事實(shí)上，最大的導(dǎo)通電流ipm發(fā)生在壓敏電壓為負(fù)偏差（一10%）的情況下，我們可以用式2-3-1近似計(jì)算出ipm的值。2-3-1)圖2-3-5壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的等效電路.V-0.9u2-3-1)圖2-3-5壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的等效電路i=SRPmXS由式2-3-1可知，在VS和壓敏電阻規(guī)格一定時(shí),壓敏電阻中的最大的導(dǎo)通電流ipm與源阻抗XS呈反比,XS越大，i越小。那么我們?nèi)绾未_定XS的取sp^m.s值呢？IEC61000-4-5規(guī)定了三類防雷模擬測試的標(biāo)準(zhǔn)，如表2-3-1所示。壓敏電阻用戶可以根據(jù)自己的整機(jī)的電源進(jìn)線方式和使用環(huán)境來選定設(shè)計(jì)計(jì)算所需的VS和xs。為了保證防雷模擬測試能夠順利通過，我們根據(jù)選定的VS和XS計(jì)算出ipm后，還要從該規(guī)格壓敏電阻的脈沖電流降額曲線上查出脈沖寬度20盟、沖擊次數(shù)為10的最大允許脈沖電流峰值i（壓敏電阻在連續(xù)10次雷擊下的最大通流量），如果i>i,則該規(guī)格的壓maxmaxpm嚴(yán)酷等級(jí)開路電壓VS(1.2/50ys)(kV)源阻抗XS嚴(yán)酷等級(jí)開路電壓VS(1.2/50ys)(kV)源阻抗XS（Q）L-L/NL/N-PE其他一級(jí)0.521242二級(jí)121242三級(jí)221242四級(jí)421242表2-3-1IEC61000-4-5規(guī)定的模擬雷擊測試標(biāo)準(zhǔn)模擬雷電波沖擊10次，正反向各5次，沖擊時(shí)間間隔60s圖2-3-6中的loadline是在V/I特性曲線的坐標(biāo)刻度為十進(jìn)制下的畫法，產(chǎn)品樣本中的V/I特性曲線一般都是用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，loadline不是一條直線，它的形狀如圖2-3-7所示。2）壓敏電阻在多次雷擊下的的平均功率從表2-3-1可以看出：IEC61000-4-5規(guī)定的模擬雷擊測試要求在連續(xù)沖擊10次、每次

間隔60s的條件下進(jìn)行。在此條件下，由于間隔時(shí)間通常遠(yuǎn)大于雷擊持續(xù)時(shí)間，所以壓敏電阻的平均功率P為：16.4uix10-6P二R^mT2-3-2)式2-3-2中，T為脈沖時(shí)間間隔。間隔60s的條件下進(jìn)行。在此條件下，由于間隔時(shí)間通常遠(yuǎn)大于雷擊持續(xù)時(shí)間，所以壓敏電阻的平均功率P為：16.4uix10-6P二R^mT2-3-2)式2-3-2中，T為脈沖時(shí)間間隔。用式2-3-2計(jì)算出平均功率P后，還需要在產(chǎn)品樣本中查出該規(guī)格壓敏電阻的額定功率（ratedwattage）P0，如果P0>P，則該規(guī)格的壓敏電阻滿足該測試條件下的功率耗散要求。如果P0>>P，我們就可以縮短試驗(yàn)時(shí)的脈沖時(shí)間間隔，最小的時(shí)間間隔Tmin為：16.4uix10-6T—Rpm（2-3-3）minP02.3.2壓敏電阻抑制操作過電壓的數(shù)學(xué)原理當(dāng)過電壓是由開斷電感元件中的電流引起的，“浪涌電流（surgecurrent）”及其等效波形參數(shù)可用下面的方法求出。1）操作波的浪涌電流峰值和等效方波持續(xù)時(shí)間因?yàn)殡姼兄械碾娏鞑荒芡蛔儯栽陔姼斜婚_斷的時(shí)刻，壓敏電阻中流過的電流與電感中的電流相等（參見圖2-2-4），此時(shí)刻后，壓敏電阻中的電流i隨電感磁場能量的泄放逐步減小，其衰減規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)：i-i°exp(-t/t)2-3-4)式中，i0為初始放電電流（電感在被開斷瞬間的電流），時(shí)間常數(shù)t=L/R可由電流通路上的電感量L和電阻R求出。從式2-3-4可以看出：當(dāng)時(shí)間t=T時(shí)，電流i已衰減為初始放電電流i0的1/e（約37%）。根據(jù)數(shù)學(xué)原理，式2-3-4表示的指數(shù)衰減曲線的積分面積相當(dāng)于一個(gè)電流恒等于i0、持續(xù)時(shí)間為t的方波的面積；從電學(xué)的角度看這兩種電流波形的電荷量相等，如圖2-3-8所示。t的大小取決于電感量L、電感線圈的直流電阻RC和壓敏電阻的導(dǎo)通電阻RV，即:2-3-5)CV壓敏電阻的導(dǎo)通電阻RV隨著電流從i0衰減到0不斷變化（增大），因此t也是電流的函數(shù)。在工程計(jì)算中，一般假定RV為常數(shù)，它所對(duì)應(yīng)的電流為i0（從V/I特性曲線上找到i0對(duì)應(yīng)的電壓Ur,RV=uR/i0o從嚴(yán)格的意義上說，V/I特性曲線上的殘壓uR是在電流波形為8/20us,情況下測出的，對(duì)指數(shù)波形而言u(píng)R會(huì)小一些，但一般不會(huì)影響選型結(jié)果），以減少計(jì)算上的難度。通過以上近似計(jì)算得到的t基本上等效于壓敏電阻脈沖電流降額曲線的脈沖寬度，i0相當(dāng)于雷電波下的ipm。在給定沖擊壽命（沖擊次數(shù)"）的條件下，我們可以用與上節(jié)（2-3-1節(jié)）相同的方法從降圖2-3-8指數(shù)衰減電流波形的等效方波額曲線上找到與t和n對(duì)應(yīng)的i,max然后校驗(yàn)i0是否小于imax2）壓敏電阻對(duì)操作波的能量吸收能力電感中儲(chǔ)存著較大的磁場能量，因此當(dāng)它被開斷時(shí)，磁場能量就會(huì)轉(zhuǎn)化為電場能量通過

壓敏電阻和電感線圈的直流電阻RC釋放出來。電感中儲(chǔ)存的磁能El為：E=卑（J）（2-3-6）L2能量El需要壓敏電阻和電感線圈的直流電阻RC共同承擔(dān)，但我們一般不考慮兩者的分擔(dān)比例，并假設(shè)Et全部由壓敏電阻承擔(dān)。壓敏電阻的能量吸收能力E為：LmaxE=°.9UmaxL?（J）（2-3-7）max1.1式中，i為壓敏電阻脈沖電流降額曲線上對(duì)應(yīng)著沖擊壽命n和T的最大通流量；U為壓maxmax敏電阻V/I特性曲線上i所對(duì)應(yīng)的最大殘壓（壓敏電壓偏差為+10%）。如果E>Et,maxmaxt則該規(guī)格的壓敏電阻滿足能量吸收的要求。3）壓敏電阻在連續(xù)操作下平均功率在有些實(shí)際電路中存在著連續(xù)多次操作的情況，如果實(shí)際存在這種情況且連續(xù)操作的時(shí)間間隔為T,壓敏電阻的平均功率P為：2-3-8)P=-E^或P?(T>>T)T+T2-3-8)如果壓敏電阻的額定功率P0>P,則該規(guī)格的壓敏電阻滿足功率耗散的要求。如果P0>>P，最小的時(shí)間間隔Tmin可設(shè)計(jì)為：min或T=Emin或T=EminP0(T>>t)2-3-9)2.4選型計(jì)算實(shí)例2.4.1選型計(jì)算前的準(zhǔn)備工作在選型前，必須向用戶詳細(xì)了解以下情況，并將有關(guān)技術(shù)信息填入《用戶技術(shù)情況調(diào)查表》，如表2-4-1所示。1）被保護(hù)設(shè)備的最大工作/考核電壓；2）被保護(hù)設(shè)備或部件的保護(hù)電壓水平；3）被保護(hù)設(shè)備的雷擊測試的電壓等級(jí)（即復(fù)合波發(fā)生器的開路電壓）和沖擊次數(shù)、沖擊間隔時(shí)間；4）壓敏電阻的用途和安裝位置；5）操作波發(fā)生源的電感量、初始放電電流、線圈直流電阻、設(shè)計(jì)放電次數(shù)和最小時(shí)間間隔；6）其他。2.4.2實(shí)例一某低壓電器（內(nèi)含EPROM等數(shù)個(gè)IC芯片）曾在雷雨天發(fā)生過IC芯片損壞的問題。生產(chǎn)廠家考慮在產(chǎn)品的交流電源側(cè)（L-N之間）加裝壓敏電阻，要求我公司代為選型。經(jīng)了解，其主要技術(shù)信息如下（參見圖2-4-1）：1）該低壓電器的電源部分為單相，且只有兩條進(jìn)線L、N進(jìn)入電源變壓器初級(jí)端。2）電源變壓器初級(jí)的額定電壓為220VAC,電壓偏差為±10%，但生產(chǎn)廠家出于安全考慮，規(guī)定產(chǎn)品出廠前要將電壓升高到380VAC考核2小時(shí)；3）電源入口端的保護(hù)電壓水平為1800V；4）雷擊測試的條件為：開路電壓5kV（1.2/50盟）、源阻抗20,連續(xù)沖擊10次（正反向各5次）、每次間隔60s。

選型計(jì)算步驟1）壓敏電壓UN的選定及預(yù)選型號(hào)雖然該低壓電器的額定電壓是220VAC，但是我們應(yīng)該按用戶的考核電壓的最大值作為壓敏電阻的最大連續(xù)工作電壓，即380VACX1.1=418VAC,查閱本公司產(chǎn)品樣本可選壓敏電壓UN為680V,預(yù)選壓敏電阻型號(hào)為GNR14D681K。表2-4-1用戶技術(shù)情況調(diào)查表客戶技術(shù)信息備注1.最大工作/考核電壓：VACVDC工頻電源的最大正偏差和故障情況下的電壓上升已計(jì)入2.1壓敏電阻安裝位置：2.1沖擊測試開路電壓：kV波形：ps連續(xù)沖擊次數(shù)：次時(shí)間間隔：s源阻抗：Q2.2沖擊測試短路電流：kA波形：ps等效方波持續(xù)時(shí)間：ps2.3操作波發(fā)生源電感量：H初始放電電流：A線圈直流電阻：Q設(shè)計(jì)放電次數(shù)：次最小時(shí)間間隔：s2.4測試標(biāo)準(zhǔn)：嚴(yán)酷等級(jí)L—L、L—N、L—PE、N-PE1.2/50ps、10/700ps等8/20ps、10/1000ps等IEC61000-4-5、UL1449等根據(jù)IEC61000-4-5根據(jù)IEC61000-4-5或IEC61643丿酷等級(jí)：防雷分類等級(jí)：3.要求的保護(hù)電壓水平：V參考電流：A4.產(chǎn)品系列SMD-MLV□SMD-molded□Disktype□Blocktype(KM-L、KM-S)□Straptype口須標(biāo)明

2）圖解確定最大導(dǎo)通電壓uR和最大導(dǎo)通電流ipmRpm在GNR14D681K的V/I特性曲線（參見樣本p17）上繪出VS=5KV、XS=2Q的loadline,如圖2-4-2所示（VI特性曲線根據(jù)產(chǎn)品樣本重新繪制）。圖解得到交點(diǎn)Q所對(duì)應(yīng)的uR=1500Vo根據(jù)式2-3-1,最大導(dǎo)通電流iRpm為：5000-0.9WO/1.1q1890⑷2i=pmCuWent(A)圖2-4-2GNR14D681K工作曲線在GNR14D681K的脈沖電流降額曲線（參見樣本p22）上可以查出脈沖寬度20盟、沖擊次數(shù)為10的最大允許脈沖電流峰值i~1600A,因此不滿足ipm<i的通流條件，我們maxpm2i=pmCuWent(A)圖2-4-2GNR14D681K工作曲線改選GNR20D681K。在GNR20D681K的V/I特性曲線（參見樣本pl9）上繪出VS=5KV、XS=2Q的loadline,如圖2-4-3所示（VI特性曲線根據(jù)產(chǎn)品樣本重新繪制）。圖解得到交點(diǎn)Q所對(duì)應(yīng)的uR=1480Vo根據(jù)式2-3-1,最大導(dǎo)通電流ipm為：.5000-0.9-1480/1.1（A）i=~1895（A）pm2在GNR20D681K的脈沖電流降額曲線（參見樣本p23）上可以查出脈沖寬度20盟、沖擊次數(shù)為10的最大允許脈沖電流峰值i~2300A，因此滿足ipm<i的通流條件。mapmma

圖2-4-3GNR20D681K工作曲線多次雷擊下的的平均功率根據(jù)式2-3-2，GNR25D681K壓敏電阻在連續(xù)沖擊10次、每次間隔60s的條件下的平均功率為：?0.74（W）?1480?1895?0.74（W）60從產(chǎn)品樣本中可以查出GNR20D681K的額定功率PQ=1W，此結(jié)果滿足P0>P的要求,因此GNR20D681K壓敏電阻滿足該測試條件下的功率耗散要求。保護(hù)電壓水平校驗(yàn)從圖2-4-3得到的uR=1480V是GNR20D681K規(guī)格壓敏電阻的最大導(dǎo)通電壓，此結(jié)果滿足保護(hù)電壓水平1800V的要求。選型結(jié)論：該低壓電器電源的L—N之間應(yīng)選用GNR20D681K規(guī)格壓敏電阻。2.4.3實(shí)例二一個(gè)小電機(jī)控制回路(參見圖2-1-4)的等效電路如圖2-4-4所示，電路參數(shù)如下VDCLi0RC=24±2V=0.1H=2A=12Q開關(guān)設(shè)計(jì)動(dòng)作壽命=106最短連續(xù)開關(guān)時(shí)間間隔=10s開關(guān)觸點(diǎn)的保護(hù)電壓水平=100V

選型計(jì)算步驟1)壓敏電壓uN的選定及預(yù)選型號(hào)壓敏電阻的最大連續(xù)工作電壓為(24+2)VDC查閱本公司產(chǎn)品樣本，可選壓敏電壓UN為33V選型計(jì)算步驟1)壓敏電壓uN的選定及預(yù)選型號(hào)0=2A對(duì)應(yīng)的電壓uR為62V，2)操作波的浪涌電流峰值和等效方波持續(xù)時(shí)間從GNR10D330K的V/0=2A對(duì)應(yīng)的電壓uR為62V，2)操作波的浪涌電流峰值和等效方波持續(xù)時(shí)間那么RV=uR/i0=62V/2A=31Q，根據(jù)式2-3-5，可得:L0.1mst===2.33(ms)R+R12+31CV從GNR10D330K的脈沖電流降額曲線(產(chǎn)品樣本p21)，可查出對(duì)應(yīng)沖擊時(shí)間2.33ms、沖擊次數(shù)106的i~1.8A,此結(jié)果不滿足i0<i的通流條件，因此我們改選GNR14D330K。max0m