如何運用混合式 AC 突波防護元件提升突波保護

電子裝置無所不在且發展迅速，其電路也越來越敏感。這些電路在連接電氣基礎設施時十分依賴前端保護，但卻不一定有針對電壓突波和暫態的最新防護。暫態可能是由雷擊、切換或類似的電壓突波造成，可能會導致過壓和過電流，進而損壞電子裝置或降低其敏感度。

氣體放電管 (GDT) 和金氧變阻器 (MOV) 等現有的低成本突波保護技術可以轉移或限制突波能量，防止其進入受保護的設備。兩者各有其優勢，但在失效之前可以處理的暫態次數都有限。此外，GDT 可能無法完全切斷電流，而 MOV 可能會在多次暫態發生後因熱失控而失效。

為了充分發揮 GDT 和 MOV 的優勢，同時彌補它們的不足，可採用納入單一整合裝置的混合式技術組件，在指定的突波保護等級下具有較小的實體尺寸。雖然整合式組件的互補性可提高兩者的效能並延長使用壽命，但 GDT 和 MOV 元件還是需要經過仔細匹配，才能達到效率。如果實作得當，這些 IsoMOV™ 混合突波保護器可確保符合 IEC/UL62368-1 的合規性；IEC/UL62368-1 是資訊科技和音訊／視訊設備的危害規範標準。

本文概述 GDT 和 MOV 突波保護器的工作原理，接著檢驗 Bourns 的市售 IsoMOV 混合保護器範例的特性。最後展示如何實作 IsoMOV 技術以滿足 IEC/UL62368-1 的要求。

SPD 如何運作？

突波保護組件有兩種運作方式 - 它們可以作為開關，將突波轉移到地面 (有時稱為撬棍)，或者可以透過吸收和消散暫態能量，將最大電壓箝位到降低的位準，限制突波電壓。

GDT 是撬棍限制器的一個範例。GDT 是由充滿惰性氣體 (如氬氣) 的火花間隙所構成，並跨接電源線。如果電壓位準低於 GDT 崩潰電壓，該元件基本上處於高阻抗「關斷 (off)」狀態。如果暫態使電壓位準增加到高於 GDT 的崩潰電壓，GDT 就會進入「導通 (on)」狀態 (圖 1)。

圖 1：圖為觸發 GDT 的電壓和電流波形。一旦超過崩潰電壓，電壓就會降到 10 V 左右，電流會顯著增加。(圖片來源：Bourns)

由於 GDT 跨接在電源輸入端，基本上會使電源短路。這會觸發保險絲、斷路器或其他串聯保護裝置，藉以保護 GDT 下游的電路。請注意，在關斷狀態下，會有高電壓和低電流。在導通狀態下則相反，且耗散的功率非常小，除了在狀態轉換之時。若要重置 GDT 的狀態，需將輸入電壓降至低於崩潰電壓。如果電源線輸入電壓降得不夠低，GDT 可能不會重置並繼續傳導「後續」電流，保持在導通狀態。GDT 可能會保持導通，是此類突波保護技術的一項極大限制。

MOV 是箝位元件。與 GDT 一樣，跨接在電源線上。正常操作時，MOV 處於高阻抗狀態且僅消耗很小的漏電流 (圖 2)。

圖 2：MOV 的電流-電壓特性顯示雙極箝位作用。(圖片來源：Bourns)

在電壓突波下，MOV 的阻抗下降並吸收更多電流、消耗功率；這會降低並限制暫態電壓。暫態結束後，MOV 阻抗會增加並恢復到正常狀態。MOV 的額定值依據可耐受此類暫態事件的次數而定。多次暫態事件後，MOV 的漏電流可能會增加。這會增加元件耗散的功率，導致其升溫。溫度上升會增加漏電流，並可能導致 MOV 進入熱失控，進一步造成災難性的裝置故障。

這兩種突波保護技術單獨使用都不理想。然而，如果將 GDT 和 MOV 串聯跨接電源線，兩者的互補作用就很明顯。正常作業時，GDT 關閉，且 MOV 沒有漏電流。在電壓暫態期間，會觸發 GDT，進而將 MOV 置於電路中。接著 MOV 箝位暫態電壓突波。當暫態解除時，MOV 會關閉，減少通過 GDT 的電流，使其也關閉。

若要串聯 GDT 和 MOV，需仔細匹配其特性，才能精確互補。若要以離散方式實作，會受到設計到製造、測試和封裝的各種變量影響，讓設計人員很難找到合適的配對。為了因應這些挑戰，Bourns 的 IsoMOV 混合保護器將一組精心匹配的 MOV 和一個 GDT 元件組合到一個比單一組件小很多的封裝中 (圖 3)。

圖 3：IsoMOV SPD 是在兩個 MOV 之間納入 GDT 組成 (a)。組成線路圖符號顯示在右側 (b)。(圖片來源：Bourns)

圖 4 中，IsoMOV 混合保護器的組合暫態電壓響應顯示這兩個元件如何協作。

圖 4：IsoMOV 混合保護器的電壓響應顯示 GDT 組件崩潰時會啟動 MOV 組件，保護下游電路。(圖片來源：Bourns)

IsoMOV 混合保護器的兩個元件在設計上可獨立承受最大連續工作電壓 (MCOV)。如上所述，無暫態時，GDT 會阻擋 MOV 漏電流。即使經歷多次暫態，GDT 也會阻斷上升的 MOV 漏電流。MOV 可防止暫態突波後的後續電流，保護 GDT。與單一 MOV 相比，IsoMOV 元件的幾何形狀可增加單位面積的突波容量。

從設計工程師的觀點，IsoMOV 元件在小型整合式封裝中提供增強的保護，最大程度減少元件數和縮減板空間。例如，ISOM3-175-B-L2 是 IsoMOV 混合保護器，其 MCOV 為 175 V_RMS，能夠處理至少 15 次 3 kA 標稱突波，最大箝位電壓為 470 V (圖 5)。直徑為 13.2 mm，厚度為 6.1 mm。直徑隨最大電流容量而不同，厚度隨 MCOV 的增加而增加。

圖 5：ISOM3-175-B-L2 是 IsoMOV 混合保護器緊湊外形的範例。雖然包括兩個 MOV 和一個 GDT，其直徑僅為 13.2 mm，厚度為 6.1 mm。(圖片來源：Bourns)

Bourns 的 IsoMOV 系列包括三個不同的標稱額定電流，分別為 3 kA、5 kA、8 kA，MCOV 額定值為 175 至 555 V_RMS。中等範圍的元件包括 ISOM5-300-B-L2，是 300 V_RMS、5 kA 的元件，直徑為 17 mm，厚度為 7.1 mm。在高電流範圍則有 ISOM8-555-B-L2，這是 8 kA 元件，具有 555 V_RMS MCOV。其直徑為 23 mm，厚度為 9.4 mm。所有這些元件的工作溫度範圍均為 -40°C 至 +125°C。

與使用單獨的 MOV 和 GDT 相比，Bourns 的 IsoMOV 混合保護器可節省空間，並提供最先進的突波額定值。具有超低漏電流，且串聯的 GDT 可延長 MOV 的使用壽命。此外，所有 IsoMOV SPD 都被列為 UL1449 Type 4 組件，因此更容易納入突波保護裝置的設計中。

實作 IEC/UL62368-1 等級的保護

IsoMOV 組件是實作 IEC/UL62368-1 合規性的實用解決方案。新的 IEC/UL 62368-1 安全標準針對音訊／視訊和資訊通訊技術設備，基於危害防範工程 (HBSE) 原則，該原則適用於設備使用者人身安全和實踐安全措施。可識別潛在危險能源，以及在正常操作和故障條件下將能量傳輸給使用者的過程。

圖 6 所推薦的電源輸入保護設計，包括從線路到中性線、線路到保護性接地，以及中性線到保護性接地的保護裝置。

圖6：推薦符合 IEC/UL62368-1 的電源輸入保護電路，包括從線路到中性線、線路到保護性接地，以及中性線到保護性接地的保護裝置。(圖片來源：Bourns)

必須在線路和接地之間或中性線到接地之間採用 GDT 與 MOV 串聯或 IsoMOV，以防止單獨使用 MOV 會發生電擊。如果未連接保護性接地，單單 MOV 的漏電流就可能會高到讓使用者接觸隔離的接地路徑時受傷。串聯 GDT 可消除此漏電流。

與 MOV 和包含 MOV 的裝置相關的危險包括：由於過大漏電流引起的電擊和火災。MOV 的失效模式使之被視為潛在點火源 (PIS)，因此在設計上必須包括降低點火可能性和阻止任何火勢蔓延的步驟。

突波保護器有助於提高產品可靠性，並符合標準要求的特定測試。例如，MOV 的 MCOV 必須至少為設備電壓範圍上限電壓的 1.25 倍。電源輸入範圍為 85 至 250 VAC 的設備，其線路保護 MOV 的最小 MCOV 應為 313 V 。包含 MOV 跨線路的線路保護電路，必須以標稱額定值兩倍的線路電壓進行測試。輸入電流由電阻依次限制為 0.125、0.25、0.5、1 和 2 A。由於 MOV 是潛在的火源，因此測試會一直持續到 MOV 失效。MCOV 大於最大額定線路電壓兩倍的 MOV 不需要進行此測試，因為在這些條件下，MOV 失效的可能性非常低。

結論

IsoMOV 混合保護器為電子系統提供改進和更緊湊的保護，因為它們在老化或保護不當的基礎設施中，以及不斷演化的使用者保護標準之下，快速的改良、縮小尺寸、廣泛使用。除了卓越的效能和節省空間外，還具有延伸溫度範圍、低漏電流和高能量處理能力。雖然在暴露於高突波的工業應用更顯優勢，但也可以實作於音訊／視訊和資訊通信技術設備，以滿足基於危害防範工程 (HBSE) 原則的 IEC/UL62368-1 標準。