如何抑制湧浪電壓?

對於許多電路來說，湧浪電壓會導致電路系統不穩定，因此透過湧浪保護電路來，維持電路的耐受穩定性。國際安規標準IEC 61000訂定了對於電子產品的抗擾度要求，其中IEC 61000-4-5 雷擊突波耐受是針對產品由於瞬間開關或閃電瞬變引起的過電壓，定義了幾個不同的測試級別以適用於不同環境。本文將討論幾種能用於抑制湧浪電壓的方式，並比較其保護效能。

 

1. 緒論

湧浪就是瞬間出現超出正常工作電壓的峰值，又稱為突波。產生原因大多發生在電源啟動、大負載起斷、雷擊等等。在電源啟動時，系統大電流對電容由暫態到穩態的電流即是湧浪電流，此電流會減少電路元件的壽命且造成電路誤動作。

國際安規IEC針對湧浪抗擾度規定了標準，以下將介紹湧浪電壓相關的法規以及防止湧浪電壓傷害的保護方法。

• 湧浪抗擾度試驗

電子產品對於湧浪抗擾度試驗的要求都不盡相同，但試驗標準大多引用國際安規標準IEC 61000-4-5，其規定湧浪抗擾度要求、試驗方法、試驗等級等等。這項法規為評估電子設備在遭受湧浪衝擊時的抗擾度建立一個共同參考的標準，具體分級如表 1所示。依照不同產品法規採用不同測試規格，其中X為開放等級，通常為製造商為增強其產品的抗擾能力，或為在較嚴苛的環境使用進而加嚴測試條件。

表1 湧浪測試等級表

Electrical Surge Test Levels (IEC EN 61000-4-5)
Class	Test Level	Max Peak Current@2Ω
1	500 V	250A
2	1 kV	500A
3	2 kV	1000A
4	4 kV	2000A
X	specific	specific

• 保護方式

 

瞬態電壓抑制二極體是一種限壓型的過壓保護元件，與需要保護的電路並聯。它能吸收湧浪功率，並以極快的速度抑制湧浪電壓在合理範圍內並保護後端電路，作用類似於齊納二極體。其優點包括體積小、反應速度快、工作電壓低等，但由於可容許的峰值電流較低，會再串聯限流元件，例如電阻和保險絲等，如圖 1所示。當湧浪電壓擊穿瞬態電壓抑制二極體時帶來的高電流會燒毀保險絲以達保護後級電路之目的。

市面上常見的湧浪保護元件有瞬態電壓抑制二極體、壓敏電阻、陶瓷氣體放電管等等，每種都各有適應的場合，以下介紹上述的保護元件，並分析其特點。

 

2. 瞬態電壓抑制二極體

 

湧浪保護電路大都使用兩種方式實現，其中一種方式是採用光耦合方式將輸入與輸出信號隔離開來，只要湧浪電壓不超過光耦合的限制範圍，即不會對後端設備造成損壞；另一種方式是將主要設備的地連接在一起形成單點接地，並使用適當的湧浪保護元件，如瞬態電壓抑制二極體、壓敏電阻等等元件，以下將介紹單點接地方法中常使用的湧浪保護元件。

• 瞬態電壓抑制二極體

瞬態電壓抑制二極體是一種限壓型的過壓保護元件，與需要保護的電路並聯。它能吸收湧浪功率，並以極快的速度抑制湧浪電壓在合理範圍內並保護後端電路，作用類似於齊納二極體。其優點包括體積小、反應速度快、工作電壓低等，但由於可容許的峰值電流較低，會再串聯限流元件，例如電阻和保險絲等，如

圖 1 所示。當湧浪電壓擊穿瞬態電壓抑制二極體時帶來的高電流會燒毀保險絲以達保護後級電路之目的。

• 壓敏電阻

 

壓敏電阻，又稱突波吸收器，是一種具非歐姆導體性質的電子元件，其電阻值隨著不同外在電壓而改變。使用上會與需要保護的的電路並聯。當未有瞬間突波電壓時，壓敏電阻兩端具有極高的電阻值，故不影響原本電路的特性，但當瞬間突波電壓出現，壓敏電阻的電阻會降至極低，壓敏電阻兩端短路而將分流突波電流，達到保護電路的作用。壓敏電阻的預期壽命較短，在承受多次衝擊後會破壞結構使閥值電壓降低、漏電流上升，最終導致發熱並失效，因此在使用上會串聯保險絲，如圖 2所示。

•  陶瓷氣體放電管

 

防突波電壓設備中應用最廣泛的一種保護元件，其原理是當陶瓷氣體放電管兩端電壓過高而達到使惰性氣體放電管內的氣體擊穿時，惰性氣體放電管開始放電，使陶瓷氣體放電管兩端阻抗變極小，使湧浪電壓迅速短路至地，而保護後端電路，其缺點是觸發時間較長和導通後存在續流問題，因此需結合額外的輔助電路來抑制後續電流，如圖 3就是透過保險絲來防止後續電流過大造成線路短路。

• LC濾波器

 

LC濾波電路常使用在EMS的抑制上，透過電容與電感頻率特性，但它有濾波指定頻率的效果和避免高頻瞬變電壓上升與下降的問題。若結合其他保護元件更有湧浪衝擊保護的效果。圖 4是結合LC濾波器的電路圖。濾波器的單一電容容值越大，漏電流也越大，必要時能採取多個電容並聯來達到一樣的效果。

將上述的各種湧浪保護元件整理並比較，如表2.

表2  湧浪保護元件特性表

	瞬態電壓抑制二極體	壓敏電阻	陶瓷氣體放電管	LC濾波器
連接方式	並聯	並聯	並聯	串聯
反應時間	快	中	慢	-
峰值電流	低	中	高	-
漏電流	低	中	低	高
擊穿電壓	低	低	高	-

 

3. 複合應用

若只使用單一種保護元件將無法達到良好的防護效果，因此在使用上常常會結合多種不同的保護元件以符合不同程度的突波測試標準，以下將介紹幾種常見的組合方式。

• 陶瓷氣體放電管與瞬態電壓抑制二極體

由於陶瓷氣體放電管的反應時間較慢，瞬態突波發生時可能會來不及反應，這時突波就可能傷害到後級電路，因此使用去耦電感作為緩衝元件才能保證陶瓷氣體放電管先動作，殘餘能量再由第二級防護的瞬態電壓抑制二極體抑制，以避免元件損壞，如圖 5所示。

由於陶瓷氣體放電管的導通電壓極低，而且有續流問題，不能直接使用在交流電源防護口，使用上應串聯如壓敏電阻等元件，如

圖 6 所示。

• 壓敏電阻與瞬態電壓抑制二極體

 

使用壓敏電阻的方式，較適合使用在低瞬態電壓的條件，如圖 7所示。

另外並聯電容來提升電路吸收湧浪電壓的能力，如

圖 8 所示。

• 瞬態電壓抑制二極體與LC濾波器

 

當電路承受的湧浪衝擊較低時，可以採用瞬態抑制二極體配合LC濾波器，不僅可更有效緩和輸出兩端電壓變動，還能抑制低頻雜訊。使具體電路如圖 9所示。

 

結論

本文討論了幾種常見的湧浪保護元件，並簡單介紹其運作原理。單一的保護元件並不能完全防護湧浪電壓帶來的損壞，依照不同元件的特性，組合出更加完善的保護電路，方能通過不同電壓雷擊耐受測試標準。

 

 

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