浪涌电压(浪涌电压)

1、电子设备雷电浪涌抗扰度测试标准

电子雷电浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T.5(相当于国际标准IEC-4-5)。

该标准主要是模拟间接雷击造成的各种情况:

(1)雷击外部线路时，大量电流流入外部线路或接地电阻，产生干扰电压。

(2)间接雷击(如云间或云内雷击)在外部线路上感应出电压和电流。

(3)当雷电击中线路附近的物体时，其周围的强电磁场在外部线路上感应出电压。

(4)雷电击中相邻地面，地面电流通过公共接地系统时引入的干扰。

除了模拟雷击，该标准还模拟变电站和其他场合中开关动作引入的干扰(开关引起的电压瞬变)，例如:

(1)主电源系统切换时产生的干扰(如电容器组的切换)。

(2)设备附近的一些较小的开关在同一个电网中跳跃时的干扰。

(3)带谐振电路的开关晶闸管设备。

(4)各种系统性故障，如设备接地网或接地系统之间的短路和闪络故障。

该标准描述了两种不同的波形发生器:一种是电力线上雷击感应的波形；另一个是通信线路上感应的波形。

两条线路都属于空架空线，但阻抗不同:在电力线上感应的浪涌波形较窄(50uS)，前沿较陡(1.2 US)；但是，通信线路上感应的浪涌波形较宽，但前沿较慢。后面主要分析电力线上雷击感应波形的电路，也简单介绍一下通信线路的防雷技术。

2.模拟雷击的浪涌脉冲产生电路的工作原理。

上图是一个脉冲产生电路，模拟雷电击中配电设备时在输电线路中感应产生的浪涌电压，或者雷电击中地面后雷电流通过共用接地电阻产生的高压。4kV的单脉冲能量为100焦耳。

图中Cs为储能电容(约10uF，相当于雷云电容)；Us是高压电源；Rc是充电电阻；Rs脉冲持续时间的形式电阻(放电曲线形式电阻)；Rm阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。

不同产品的雷电浪涌抗扰度测试需要不同的参数。上图中的参数可以根据产品标准的要求稍作改动。

基本参数要求:

(1)开路输出电压:0.5~6kV，分五级输出，最后一级由用户和厂家协商确定；

(2)短路输出电流:0.25~2kA，可用于不同等级的测试；

(3)内阻:2欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，用于不同等级的其他测试；

(4)浪涌输出极性:正/负；输出与电源同步时，相移为0 ~ 360度；

(5)重复频率:每分钟至少一次。

雷电浪涌抗扰度试验的严重程度分为5级:

等级1:保护环境较好；

2级:一定的保护环境；

3类:普通电磁骚扰环境，对设备无特殊安装要求，如工业工作场所；

第4类:严重干扰环境，如民用空架空线、无保护高压变电站等。

X级:由用户和制造商协商确定。

图18中18uF的电容可以根据不同的严重程度来选择，但是到了某个值，基本上就没有太大意义了。

根据不同的严重程度，可以选择10欧姆电阻和9uF电容。电阻的最小值可以选0欧姆(美标就是这样)，9uF电容也可以选大的，但是到了一定值，基本上就没有太大意义了。

3.共模浪涌抑制电路

在电涌保护设计期间，假设共模和差模相互独立。然而，这两部分并不是真正独立的，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可以用分立差模电感来模拟。

为了利用差模电感，在设计过程中，共模和差模应该按照一定的顺序进行，而不是同时进行。首先，应测量并滤除共模噪声。通过使用差模抑制网络，可以消除差模分量，因此可以直接测量共模噪声。

如果共模滤波器的设计使差模噪声同时不超过允许范围，则应测量共模和差模的混合噪声。因为已知共模成分低于噪声容差，只有差模成分超标，可以通过共模滤波器的差模漏电感衰减。对于小功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题。因为差模辐射的源阻抗很小，所以只有少量电感是有效的。

要将浪涌电压抑制在4000Vp以下，一般只需用LC电路限制电流，平滑滤波，使脉冲信号降低到脉冲信号平均值的2~3倍。电感容易饱和，所以L1和L2一般采用漏电感大的共模扼流圈。

它可以用在交流和DC。通常，我们在电源EMI滤波器和开关电源中看到它，但DC方面很少见。在汽车电子方面可以看出，它是用在DC这边的。

增加共模扼流圈是为了消除平行线(两线和多线)上的共模干扰。由于电路上两条线阻抗的不平衡，共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波很难滤波。

共模扼流圈到底需要用在什么地方？共模干扰通常是电磁辐射，在空之间耦合，所以不管是交流还是DC，如果你有长距离传输，涉及到共模滤波，共模扼流圈都得加。比如有很多USB线，就给它们加磁环。开关电源进线，交流电是远距离传输的，所以需要加电。通常情况下，DC方面不需要添加远程传输。没有共模干扰，加了就是浪费，对电路没有增益。

电源的设计通常可以从共模和差模两个方面来考虑。共模滤波器最重要的部分是共模扼流圈。与差模扼流圈相比，共模扼流圈有一个显著的优点，就是电感极高，体积小。设计共模扼流圈时需要考虑的一个重要问题是其漏电感，即差模电感。通常计算漏电感的方法是假设它是共模扼流圈的1%，但实际上漏电感在共模扼流圈的0.5%-4%之间。当设计具有最佳性能的扼流圈时，该误差的影响不能被忽略。

泄漏的重要性

泄漏是如何形成的？一个绕满一圈的紧密环形线圈，即使没有磁芯，其磁通量也全部集中在线圈的“芯”上。但是，如果环形线圈没有完全缠绕，或者缠绕松散，磁通量就会从铁芯中泄漏出来。这种效应与匝间的相对距离和螺旋管芯的磁导率成正比。

共模扼流圈有两个绕组，它们被设计成当沿着线圈芯传导时，流过它们的电流具有相反的方向，从而使磁场为零。为了安全起见，如果铁芯上的线圈没有缠绕，两个绕组之间会有相当大的间隙，自然会导致磁通的“泄漏”。也就是说，磁场并不是在所有相关的点上都真的为零。共模扼流圈的漏电感是差模电感。事实上，与差模相关的磁通量必须在某个点离开磁芯。换句话说，磁通量在铁芯外部形成一个闭合回路，而不仅仅局限在环形铁芯中。

一般来说，CX电容可以承受4000Vp差模浪涌电压冲击，而CY电容可以承受5000Vp共模电压冲击。正确选择参数L1、L2、CX2和CY可以将共模和差模浪涌电压抑制在4000Vp以下。但如果全线安装两个CY电容，其总容量不能超过5000P p，如果浪涌电压超过4000Vp，则应选择耐压更高的电容和具有限幅功能的浪涌抑制电路。

所谓抑制，只是降低尖峰脉冲的幅度，然后转换成另一种脉宽比较宽、幅度比较平坦的波形输出，但其能量基本不变。

一般来说，两个CY电容的容量很小，存储的能量有限，所以对共模浪涌抑制的作用不是很大。因此，共模浪涌的抑制主要依靠电感L1和L2。但由于L1和L2的电感也受体积和成本的限制，一般很难做得很大，所以上述电路对雷电的共模浪涌电压抑制作用非常有限。

图(A)中的L1和CY1、L2和CY2分别抑制两个共模浪涌电压，计算时只需计算其中一个。为了精确计算L1，需要求解一组二阶微分方程。结果表明，电容器充电按正弦曲线进行，放电按余弦曲线进行。但是这种计算方法比较复杂，这里采用一种比较简单的方法。

共模信号是幅度为Up、宽度为τ的方波，CY电容上的电压为Uc。通过电感测得的电流是宽度等于2τ的锯齿波:

流经电感的电流为:

流经电感的最大电流为:

2τ期间流经电感的平均电流为:

由此可知，CY电容在2τ期间的电压变化为:

上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式，式中，Uc为CY电容两端的电压，也是浪涌抑制电路的输出电压，?Uc为CY电容两端的电压变化量，但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小，可以认为Uc = ?Uc，Up为共模浪涌脉冲的峰值，q为CY电容存储的电荷，τ为共模浪涌脉冲的宽度，L为电感，C为电容。上面的公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的公式，其中UC是CY电容两端的电压和浪涌抑制电路的输出电压，Uc是CY电容两端的电压变化量。但由于雷电脉冲周期较长，所占比例较小空，所以Uc =∏Uc，Up为共模浪涌脉冲的峰值，Q为CY电容存储的电荷，τ为共模浪涌脉冲。

根据上面的公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，电容C=2500p，浪涌抑制电路的输出电压Up = 4000Vp，电感L的值需要为1H。显然这个值很大，实际中很难实现，所以上述电路抑制雷电共模的能力非常有限，这个电路需要进一步改进。

差分浪涌电压的抑制主要取决于图中滤波电感L1、L2和滤波电容CX的选择，也可以用下面的公式计算。

但在上面的公式中，L应该等于L1和L2滤波电感之和，C=CX，Uc等于差模抑制的输出电压。差模抑制的输出电压一般不要超过600Vp，因为很多半导体器件和电容的最大耐受电压都在这个电压附近。而且经过L1和L2滤波电感和CX电容滤波后，雷电差模浪涌电压的幅值降低，但能量基本不降低，因为滤波后脉冲宽度会增大，器件一旦被击穿，大部分无法恢复原状。

根据上式，假设浪涌电压峰值Up=4000Vp，脉宽为50uS，差模浪涌抑制电路输出电压UC = 600 VP，则所需LC值为14mH×uF。显然这个数值对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的。相比之下，增加电感比增加电容更有利。所以浪涌电感最好选择三窗口电感比较大(大于20mH)的电感，共模和差模电感大，不容易饱和。顺便说一下，整流电路后面的电解滤波电容器也具有抑制浪涌脉冲的功能。如果包含此功能，其输出电压Uc只能选择电容器的最高耐受电压Ur(400Vp)而不是600Vp。

4、雷电浪涌脉冲电压抑制常用器件

避雷器主要包括陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管(TVS)、浪涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容器等。各种设备要结合使用。

气体放电管的种类很多，放电电流通常很大，达到几十kA，放电电压也比较高。从点火到放电需要一定时间，有残压，性能不稳定。氧化锌压敏电阻具有良好的伏安特性，但由于功率的限制，其电流相对小于放电管的电流。反复雷电过流后，击穿电压会下降甚至失效。

半导体TVS的伏安特性最好，但一般功率较小，成本相对较高。浪涌抑制线圈是最基本的防雷装置。为了防止交流饱和流过电网，必须选用三窗口铁芯。x电容也是必须的，要选择纹波电流较大的电容。

气体放电管

气体放电管是指一种用于过电压保护的防雷管或天线开关管。管内有两个或两个以上的电极，电极内充有一定量的惰性气体。气体放电管是一种间歇性防雷元件，用于通信系统的防雷保护。

放电管的工作原理是气体间隙放电。当放电管的两极之间施加一定的电压时，就会在它们之间产生一个不均匀的电场。在这个电场的作用下，管内的气体会开始离解。当外加电压增大使两极之间的场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙就会击穿，由原来的绝缘状态转变为导电状态。在导通之后，放电管的两极之间的电压将保持在由放电电弧确定的剩余电压水平。这种残压一般很低，使得电子设备与放电管并联。

一些气体放电管用玻璃密封，而另一些用陶瓷密封。放电管充有电性能稳定的惰性气体(如氩气和氖气)。通常有两个或三个放电电极，电极之间用惰性气体隔开。根据电极数量，放电管可分为二极和三极放电管。

陶瓷二极管放电管由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜合金焊帽和陶瓷管组成。管内放电电极涂有放射性氧化物，管内壁也涂有放射性元素，以改善放电特性。

放电电极主要是杆状和杯形结构。在杆状电极的放电管中，在电极和管壁之间额外安装了圆柱形热屏蔽。这种隔热罩可以使陶瓷管受热均匀，防止管因局部过热而破裂。隔热罩中还涂有放射性氧化物，以进一步减少放电的扩散。在杯形电极的放电管中，杯口处装有钼网，杯内装有铯元素，也起到减少放电分散的作用。

三电极放电管也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜合金焊帽和陶瓷管组成。与二极放电管不同，三极放电管装有一个NiCr-Co圆筒作为世界屋脊，即接地电极。

主要参数:

(1) DC击穿电压。该值通过施加一个低上升速率的电压值(dv/dt=100V/s)来确定。

(2)冲击(或浪涌)击穿电压。它代表放电管的动态特性，通常由上升率为dv/dt=1kV/us的电压值决定。

(3)标称脉冲放电电流。8/20us波形的额定放电电流(前沿8us，半峰持续时间20us)通常放电10次。

(4)标准放电电流。根据50Hz交流电流的额定有效值，规定每次放电的时间为1s，放电10次。

(5)最大单脉冲放电电流。8/20us电流波的最大单次放电电流。

(6)工频电流电阻。8/20us电流波的最大单次放电电流。对于50Hz交流电，可承受9个连续周期的最大电流的有效值。

(7)绝缘电阻。8/20us电流波的最大单次放电电流。对于50Hz交流电，可承受9个连续周期的最大电流的有效值。

(8)电容。放电管之间的电容一般在2 ~ 10pf之间，是所有瞬态干扰吸收器件中最小的。

金属氧化物变阻器

变阻器一般以氧化锌为主要成分，加上少量的其他金属氧化物(颗粒)，如钴、铋等。因为两个性质不同的物体组合在一起，就相当于一个PN结(二极管)，因此，压敏电阻就相当于无数个PN结的串并联。

5、超高浪涌电压抑制电路 5.超高浪涌电压抑制电路

示例1

上图是能抗强雷电浪涌脉冲电压的电气原理图。图中G1和G2为气体放电管，主要用于抑制高压共模浪涌脉冲，同时也具有抑制高压差模浪涌脉冲的能力。VR是一个压敏电阻，主要用于抑制高压差模浪涌脉冲。经过G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脉冲的幅度和能量大大降低。

G1和G2的击穿电压可以从1000 VP到3000 VP选择，VR的压敏电压一般为最大工频电压的1.7倍。

G1和G2击穿后，会产生后续电流。必须加保险丝，防止电路因后续电流过大而短路。

示例2

增加两个压敏电阻VR1、VR2和一个放电管G3，主要目的是加强对共模浪涌电压的抑制。由于压敏电阻有漏电流，一般电子产品对漏电流有严格要求(小于0.7mAp)，所以图中增加了一个放电管G3，使电路平时对地漏电流等于0。G3的击穿电压远低于G1和G2的击穿电压。G3用于隔离泄漏后，可以选择压敏电阻VR1或VR2的击穿电压相对较低，VR1和VR2对差模浪涌电压也有很强的抑制作用。

示例3

G1是三端放电管，相当于在一个外壳里装了两个两个两端放电管。它可以代替上述两个例子中的G1和G2放电管。除了二端和三端放电管，还有四端和五端放电管，每个放电管的用途不完全一样。

实例4

增加两个压敏电阻器(VR1，VR2)，主要目的是切断G1击穿后产生的后续电流，防止后续电流过大导致输入电路短路。但是，由于VR1、VR2的最大峰值电流一般只有G1的十分之几，所以本例对超高浪涌电压的抑制能力比例3差很多。

例5防雷装置直接制作在PCB板上

直接在PCB上制作一个放电防雷装置，可以代替防雷放电管，可以抑制共模或差模下数万伏的浪涌电压冲击。雷电保护装置的电极之间的距离通常是严格的。输入电压为AC110V时，电极间距可为4.5mm，输入电压为AC220V时，可为6mm；防雷装置的中间电极必须连接到三端电源线与PCB板连接的端口。

例6 PCB空气间隙放电装置代替放电管

气隙放电器件直接制作在PCB上，正常放电电压为每毫米1000~1500V，4.5mm爬电距离放电电压约为4500~6800Vp，6mm爬电距离放电电压约为6000 ~ 9000 V P。

6.各种防雷装置的连接

避雷器的安装顺序不能弄错。放电管必须在前面，后面是浪涌抑制电感和变阻器(或放电管)，后面是半导体TVS闸流管或X类电容和Y类电容。

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