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電子產品在我們所有應用領域中的使用有助于提高人們對電能質量的認識。 電子設備的廣泛使用引發了能源效率問題，尤其是涉及整個電網的干擾問題，對設備和儀器產生了負面影響。 新型工業4.0中涌現的智能技術需要不間斷且無故障的供電。 電能質量的擾動通常定義為電壓，電流或頻率的變化。 這些擾動可能會妨礙系統的正常運行，從而改變產出水平和整個生產活動。

 

交流電源線上的干擾會導致許多設備發生故障，包括數據傳輸錯誤，電源損壞或對屬于整個網絡的工業系統造成破壞。 瞬變、尖峰和其它異常是電源線上的典型干擾。 在設計適用于工業應用的保護系統時，請務必考慮所有這些重要因素。 針對各種電壓和電流值的保護解決方案代表了各種應用市場的巨大需求。

 

交流電源線上的干擾

根據IEEE標準的定義，電源擾動可以用瞬變、暫態過壓、畸變和頻率變化來表示。瞬變電壓波動是由于電源變化、雷電、感應負載切換、靜電放電等可能引起的暫時性電壓波動。這些瞬變的影響程度可能從輕微到災難性不等。

 

瞬變是電源擾動中最具破壞性的類型，分為兩個子類：脈沖型和振蕩型。 脈沖瞬變是高峰值事件，主要由于大氣中發生的放電而在正或負方向上增加電壓和/或電流水平。 涉及脈沖瞬變的兩種最可行的保護方法是消除潛在的靜電放電和使用瞬態電壓抑制器件。 另一方面，振蕩瞬變是電壓，電流或兩者兼有的突然變化，它以系統的固有頻率振蕩。

 

暫態過壓或過電壓是指交流電壓的升高，持續時間可從0.5個周期到1分鐘。 暫態過壓的常見起因有：是高阻抗中性線連接、（高）負載突然降低，以及三相系統上的單相故障。 過電壓代表了導致電壓尖峰的長期影響。 過電壓可被視為持續的暫態過壓。

 

畸變以各種形式出現。 諧波是頻率為基波頻率數倍的正弦波。例如，三次諧波的頻率為150 Hz； 這是50 Hz基本頻率的三倍。 五次諧波的頻率為250 Hz。 該標準要求總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）不超過8％，并考慮到最高40次諧波的水平。 間諧波是一種波形失真，通常是由電氣設備（例如靜態變頻器，感應電動機和用于形成電弧的設備）信號串擾電源電壓引起的。

 

頻率變化在電力系統網絡中很少發生。在配備備用專用發電機或供電基礎設施差的場所，頻率變化更為常見，尤其是在發電機負荷較高的情況下。歐洲50 Hz的頻率必須在供應年95％的時間內保持在±1％的公差內；同時，在任何時候都不得超過4％或下降超過6％。該標準假定該頻率是在10 s間隔內測得的平均值。

 

解決方案

過電壓保護元件可分為兩種基本類型：撬棍型元件件和鉗位型元件。鉗位型元件，如TVS、MOV及鉗位二極管，具有更快的響應時間，但其電流處理能力有限，因為瞬態能量必須通過元件鉗位消散。撬棍型元件可以處理較強的過電流，因為在其導通狀態下，元件兩端的電壓極低。在實踐中，它們充當某種短路裝置，改變電流路徑，從而使電流遠離組件的主要部分。

圖1：TO-218封裝的Pxxx0MEL系列。 Pxxx0MEL為50 / 60Hz AC單周期正弦波浪涌提供5000A 8/20 IPP（峰值脈沖電流額定值）和最小400A ITSM。

 

Littelfuse SIDACtor®晶閘管是撬棍型的，經過優化，可以保護處于強過電壓瞬變環境中的設備。 5 kA和3 kA Pxxx0FNL Pxxx0MEL系列具有幾個優點。 例如，鉗位優于傳統的用于保護交流線路的無源MOV技術，可提供針對過電壓的高電位保護。 此外，較低的導通電壓可確保長期保護期間的熱量積聚較低。 這些撬棍型半導體器件可以承受更多次的過電壓沖擊，滿足最小的降級要求（圖1和圖2）。 Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0MEL系列還可以與MOV串聯，為因較高鉗位電壓而損壞的電路提供低鉗位保護（圖3）。 該電路布局為交流線路提供了過電流和過電壓保護。

 

 

圖2：具有串聯過電流保護的P3800MEL Crowbar解決方案。 在經典的工作條件下，保護組件對電線是透明的。 當感應電壓峰值高于P3800MEL的Vdrm時，就會過渡到低電阻狀態。 保險絲可保護SIDACtor®。 該配置為設計人員提供了一個用于SIDACtor®的增強型過電流保護的選項。

 

 

圖3:SIDACtor®與前面有熔斷器的Littelfuse MOV V20E130P（交流130V）串聯。

 

MOV的晶體結構由隨機取向的金屬氧化物顆粒制成，這些顆粒顯示了P-N結半導體特性。在低電壓下工作的電路中，只有少量的電流流入壓敏電阻，這是由于通過P-N結的反向擴散造成的。當施加達到整個系統保護條件的瞬態高壓，或者超過壓敏電阻的擊穿電壓時，這些P-N結會發生雪崩擊穿，壓敏電阻成為導體。壓敏電阻不能為持續電壓升高的故障提供保護，即使電壓幅度明顯低于其設計的瞬態電壓也是如此。此外，壓敏電阻的確會出現退化現象，在多次電涌作用下，壓敏電阻開始老化。

 

TVS二極管的進步使該技術成為金屬氧化物（MOV）壓敏電阻的有效替代品，可保護交流和直流電源免受過電壓和間接雷擊的影響。這些器件不僅在交流和直流電源線應用中提供比MOV更高的可靠性和更長的抗重復過電壓壽命，而且由于電纜的電感較低，因此使用表面貼裝封裝可提供更好的過電壓響應。為了保護CAN總線免受ESD，EFT和其它電壓瞬變造成的損害，Littelfuse生產了一系列TVS二極管陣列，用于工業自動化控制應用。這些器件符合AEC-Q101標準，可以安全地承受3A的峰值電流。低電容（典型值11.5 pF）可保持信號完整性并最大程度地減少數據丟失。有時ESD事件可能會輕微損壞器件，但使其暫時仍能運行。這被稱為潛在缺陷，它很難被檢測到并縮短了該器件的壽命。許多電子器件容易受到低壓ESD事件的影響。由于速度更快和尺寸更小的趨勢，電子領域的ESD問題正日益增多。現代世界越來越多地由小型微處理器處理，它們對最小的電力波動也很敏感。這些微處理器出色地控制了快速的自動化機器人裝配過程和無法承受停機時間的包裝線系統。根據應用市場的不同，針對不同電壓/電流水平的保護解決方案能夠減少或避免由電能質量擾動引起的問題，為設備正常運行提供可靠基礎。