中心議題：

• SPD的成因和地位
• 常見的浪湧抑製器件特點
• 常見的浪湧抑製器件應用方案

引言

21世紀是計算機技術
、微電子技術、通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)迅(xun)猛(meng)發(fa)展(zhan)的(de)時(shi)代(dai)信(xin)息(xi)通(tong)信(xin)係(xi)及(ji)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)間(jian)的(de)信(xin)息(xi)交(jiao)流(liu)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)及(ji)高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)傳(chuan)遞(di)。隨(sui)著(zhe)近(jin)代(dai)高(gao)科(ke)技(ji)的(de)發(fa)展(zhan)，尤(you)其(qi)是(shi)微(wei)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)高(gao)速(su)發(fa)展(zhan)，雷(lei)電(dian)災(zai)害(hai)越(yue)來(lai)越(yue)頻(pin)繁(fan)，損(sun)失(shi)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)，僅(jin)靠(kao)避(bi)雷(lei)針(zhen)已(yi)無(wu)法(fa)保(bao)護(hu)建(jian)築(zhu)物(wu)
、人和電器設備。微電子設備及信息係統的電磁兼容能力低，抗雷電、電磁浪湧的能力弱
，而雷電浪湧又無處不在，因此浪湧防護器是現代化的大廈、銀行、證交所、航空航天、船舶鐵路、石油化工---隻要是具備計算機係統

、微電子設備
、通信係統的場所必備的防護器件。近期多次
、多處的通信暫停事故、設備損壞、油管油庫起火爆炸事故，不少是由雷電浪湧引起的線路過電壓) 過電流造成的，因此必須為建築物、設備及係統安裝浪湧防護器。

浪湧保護器(Surge protective device, SPD) , 也稱電湧保護器、避雷器等, 浪湧保護器並聯在被保護設備兩端

，通過泄放浪湧電流、限製浪湧電壓來保護電子設備。泄放雷電流、限製浪湧電壓這兩個作用都是由其非線性元件（一個非線性電阻，或是一個開關元件）完成的。在被保護電路正常工作。瞬態浪湧未到來以前，此元件呈現極高的電阻，對被保護電路沒有影響；erdangshuntailangyongdaolaishi，ciyuanjianxunsuzhuanbianweihendidedianzu，jianglangyongdianliupanglu，bingjiangbeibaohushebeiliangduandedianyaxianzhizaijiaodideshuiping。daolangyongjieshu，gaifeixianxingyuanjianyouxunsu、自動地恢複為極高電阻。它的作用是保證電子設備免受浪湧過電壓(雷電過電壓、操作過電壓等) 的破壞, 既不影響設備的正常工作, 又將過電壓限製在相應設備的耐壓等範圍內, 目的在於限製瞬態過電壓和分走電湧電流, 也是等電位連接的一種方法。浪湧防護係統最常用的防護器件主要有氧化金屬壓敏電阻（MOV）、矽瞬變電壓吸收二極管（TVS）

、放電管等。不同特性的SPD應用於不同的雷電防護環境，並通過級聯組合發揮作用。

1 SPD的成因和地位

SPD主要是保護電子設備免受雷電浪湧的危害 ,也兼而使電子設備免受大部分操作浪湧的危害。

1.1  浪湧的成因

浪湧是指瞬態電衝擊 ,包括浪湧衝擊、電流衝擊和功率衝擊。此處所謂瞬態是指持續時間大大低於工頻周期(0.02s)的瞬變過程。對地閃擊的雷電流波形的特點是上升時間極短 (0.1～幾個s) ,而下降時間相對較長(幾十到幾百μs)的單極性波。典型操作浪湧波形是疊加在工頻波形上的幾百Hz到上百kHz的振蕩波 ,整個持續時間不過幾個工頻周期。雷電和操作電湧的峰值與很多因素有關 ,出現在建築物內的電湧從近kV到幾十kV,如不加以限製會損壞電子設備。

電子設備遭受雷害會引起電子設備的誤動;電源設備和貴重的計算機及各種硬件設備的損壞 ,造成直接經濟損失;引起電子設備正常工作的中斷 ,對社會造成不良影響和巨大的間接經濟損失;還可能在微電子芯片中留下潛伏性的隱患 ,使電子設備運行不穩定和加速老化 ,給有關係統的工作造成無窮的麻煩。

雷電途徑和綜合防雷措施如圖1所示。可以看出浪湧的成因有以下幾個方麵：

1.1.1  直擊雷引起的反擊

信息係統一般不暴露在可能直接遭受雷擊的場所 ,zhijileizhijiepohuaidianzishebeijiwukeneng。leihaipohuaidianzishebeidefangshikenengshiyouzhijileidianliutongguojiedizhuangzhishizaochengdegaodianyashidianzishebeideboruohuanjiejichuan。zhezhongleihaifangshichengweifanji。

1.1.2  侵入波

雷電擊中與電子設備連接的戶外架空線(交流配電線
、信號線
、電話線) ,則雷電波就會沿線傳入。這種方式稱為侵入波。由於戶外線延伸很廣 ,因此雷電侵入的可能性較大。
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1.1.3  雷電感應

直擊雷電流通過引下線 (如建築物結構鋼筋) 時在室內引起電磁感應。雖然感應電壓不如前述幾種高 ,卻也足以破壞電子元件 ,而且它最接近電子設備 ,在建築物內部各處都可能出現。設備越是接近雷電流引下線 ,感應電壓越高。另一種情況是雷擊建築物附近地麵 ,雷擊通道的強電流產生的磁場也能在建築物內部引起電磁感應。如雷電流較大 ,建築物附近1.5～2 km的雷擊就有可能影響室內的電子設備。

1.2  浪湧保護在綜合防雷體係中的地位

浪湧保護通過泄放雷電流、限製浪湧電壓來保護電子設備 ,是電子設備防雷的主要手段 ,也是內部防雷保護的主要措施,從而成為綜合防雷體係（圖2）中的重要組成部分。僅有接閃器、接地裝置 ,並不能避免雷電波沿線路的入侵;也不能在實際可能的低接地電阻值下防止反擊。為了保護電子設備還需要電湧保護。反過來講,浪湧保護也以外部防雷保護為前提 ,浪湧保護也應與內部防雷保護其他措施(等電位連接 ,屏蔽) 密切配合。除非本建築物受到附近其他更高建構築物提供的直接雷防護 ,包含電子設備的建築物應具備一定的外部防雷保護措施。沒有接閃器 ,建築物的安全都不能保證,何談內部設備的安全。建築物的接地電阻值過大,易於發生反擊,反擊時大部分雷電流不是向地下泄放而是經SPD流向配電變壓器 ,加重了SPD的負擔。

作為一種保護措施 ,浪湧保護器的配置和浪湧保護係統的設計應與人身保護措施(直接接觸保護和間接接觸保護 ……漏電保護)、短路保護等協調 ,共同保證人身安全
、設備安全和係統(如供電)工作的連續性。有些設備 ,如醫療急救設備 ,設備安全與人身安全密切相關。

2  常見的浪湧抑製器件特點及應用

2.1  金屬氧化物壓敏電阻（Metal oxide varistor）

壓敏電阻由金屬氧化物（主要是氧化鋅）材cai料liao組zu成cheng，屬shu箝qian位wei型xing器qi件jian
，其qi特te性xing與yu兩liang隻zhi背bei對dui背bei聯lian接jie的de穩wen壓ya管guan非fei常chang相xiang似si，有you著zhe毫hao微wei秒miao級ji的de響xiang應ying速su度du。壓ya敏min電dian阻zu對dui瞬shun變bian信xin號hao的de吸xi收shou能neng力li與yu其qi體ti積ji成cheng正zheng比bi：其厚度正比於電壓；麵(mian)積(ji)正(zheng)比(bi)於(yu)電(dian)流(liu)。壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)是(shi)目(mu)前(qian)在(zai)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)中(zhong)使(shi)用(yong)最(zui)廣(guang)泛(fan)的(de)浪(lang)湧(yong)抑(yi)製(zhi)器(qi)件(jian)。當(dang)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)一(yi)定(ding)幅(fu)度(du)時(shi)，電(dian)阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)大(da)幅(fu)度(du)降(jiang)低(di)
，從(cong)而(er)將(jiang)浪(lang)湧(yong)能(neng)量(liang)泄(xie)放(fang)掉(diao)。在(zai)浪(lang)湧(yong)電(dian)壓(ya)作(zuo)用(yong)下(xia)
，導(dao)通(tong)後(hou)的(de)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)（一般稱為箝位電壓），等於流過壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值，因此在浪湧電流的峰值處箝位電壓達到最高[1]。
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每mei一yi塊kuai壓ya敏min電dian阻zu從cong製zhi成cheng時shi就jiu有you它ta的de一yi定ding的de開kai關guan電dian壓ya，當dang加jia在zai壓ya敏min電dian阻zu兩liang端duan的de電dian壓ya低di於yu該gai數shu值zhi時shi，壓ya敏min電dian阻zu呈cheng現xian高gao阻zu值zhi狀zhuang態tai，如ru果guo把ba它ta並bing聯lian在zai電dian路lu上shang
，該gai閥fa片pian呈cheng現xian斷duan路lu狀zhuang態tai；dangjiazaiyamindianzuliangduandedianyadiyugaishuzhishi，yamindianzubeijichuan，chengxiandizuzhi，shenzhijiejinduanluzhuangtai。zhezhongjichuanzhuangtaishikeyihuifude。qikaiguantexingruxiatu3 所示：

2.1.1 壓敏電阻的特點：

ａ）優點：電壓範圍很寬，可從幾伏到幾千伏；吸收浪湧電流可從幾十到幾千安培，反應速度快，無極性
，無續流，峰值電流承受能力較大，價格低。

ｂ）缺點：鉗位電壓較高，一般可以達到工作電壓的２-３倍
；而且，隨著受到浪湧衝擊次數的增加，漏電流增加；另外

，響應時間較長
，寄生電容較大。

ｃ）適用場合：直流電源線、低頻信號線
，或者與氣體放電管串聯起來用在交流電源線上 。

2.1.2 壓敏電阻的選擇：

ａ）從抑製瞬變幹擾的角度出發

，壓敏電壓要盡量降低以接近被保護電路的工作電壓

；從提高元件壽命來看，又要拉開兩者差距。一般折衷的選取方案為：對交流工作電路，壓敏電壓值為工作電壓的2.2倍；對直流工作電路

，壓敏電壓值為工作電壓的1.5倍。

ｂ）通流量的選取：zaishijiyingyongzhong，yamindianzusuoxishoudezuidalangyongdianliuyingxiaoyutadezuidatongliuliang。duitongyiyingyongchanghe，dangzuidatongliuliangzengjiayibei
，yamindianzudeshoumingyetongbuzengjiayibei。

2.2  矽瞬變電壓吸收二極管（Transient voltage suppressor）

TVS為電壓箝位型工作方式，亞納秒級的響應速度。TVS有多種封裝方式，可滿足不同場合的需要。當 TVS上的電壓超過一定的幅度時
，器件迅速導通
，通過PN結反向過壓雪崩擊穿將浪湧能量泄放掉。由於這類器件導通後阻抗很小，因此它的箝位電壓很平坦，並且很接近工作電壓。

2.2.1  矽瞬變電壓吸收二極管的特點

ａ）優點：響應時間短，漏電流小
，擊穿電壓偏差小，箝位電壓低（相對於工作電壓）動作精度高
，無跟隨電流（續流）
，體積小，每次經受瞬變電壓後其性能不會下降
，可靠性高。

ｂ）缺點：由於所有功率都耗散在二極管的PN結上
，因此它所承受的功率值較小，允許流過的電流較小。一般的TVS器件的寄生電容較大，如在高速數據線上使用
，要用特製的低電容器件，但是低電容器件的額定功率往往較小。

ｃ）適用場合：浪湧能量較小的場合。如果浪湧能量較大，要與其它大功率浪湧抑製器件一同使用，則把它作為後級防護。

2.2.2   矽瞬變電壓吸收二極管的選擇

ａ）最大箝位電壓VCMAX應不大於電流的最大允許安全電壓。

ｂ）最大反向工作電壓VRWM應不低於電路的最大工作電壓
，一般略高於電路的工作電壓。

ｃ）TVS額定的最大脈衝功率必須大於電路中出現的最大瞬態浪湧功率。

　　ｄ）對小電流負載的保護，可在二極管之前串接適當的限流電阻，從而可選用小的峰值吸收功率的VS來擔任這一功能。
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2.3  氣體放電管（Gas discharge tube）

氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內部由兩個或數個帶間隙的金屬電極

，充以惰性氣體（氬氣或氖氣）構gou成cheng。當dang加jia到dao兩liang電dian極ji端duan的de電dian壓ya達da到dao使shi氣qi體ti放fang電dian管guan內nei的de氣qi體ti擊ji穿chuan時shi，氣qi體ti放fang電dian管guan便bian開kai始shi放fang電dian
，器qi件jian變bian為wei短duan路lu狀zhuang態tai，使shi電dian極ji兩liang端duan的de電dian壓ya不bu超chao過guo擊ji穿chuan電dian壓ya。氣qi體ti放fang電dian管guan一yi旦dan導dao通tong後hou，它ta兩liang端duan的de電dian壓ya會hui很hen低di。氣qi體ti放fang電dian管guan有you兩liang極ji和he三san極ji之zhi分fen
，可ke分fen別bie用yong於yu線xian間jian和he線xian－地間的保護。其伏秒特性如下圖5：

2.3.1  氣體放電管的特點

ａ）優點：承受電流大
，絕緣電阻高，漏電流小，寄生電容小。

ｂ）缺點：點火電壓高，殘壓較高，反應時間慢≥100ns），動作電壓精度較低，會慢性漏氣、有光敏效應
、離散性大。有跟隨電流（續流）。若跟隨電流的時間較長，會導致放電管觸點迅速燒毀，從而縮短放電管的壽命。

ｃ）適用場合：信號線或工作電壓低於導通維持電壓的直流電源線上（一般低於10Ｖ）
；與壓敏電阻組合起來用在交流電源線上。它具有很強的衝擊電流吸收能力，但有著較高的起弧電壓
，所以比較適合做一級粗保護。

2.3.2  氣體放電管的選擇

在直流電路中氣體放電管的標稱電壓選擇為工作電壓的1.8倍；在交流電路中選擇為工作電壓有效值的2.5倍。氣體放電管標稱電流容量應大於被保護電路的可能最大浪湧衝擊容量。由於有跟隨電流（續流），氣體放電管一般不可使用在直流電路中，除非直流工作電壓低於氣體放電管的擊穿維持電壓。

2.4  其它浪湧吸收器件

2.4.1 固體放電管

固體放電管是一種新的瞬變電壓吸收器件，與氣體放電管一樣同屬能量轉移型保護器件，但性能更理想。如通態壓降僅3V左右
，接近短路；納秒級的響應速度
；動作電壓穩定；使用壽命長；能雙方向吸收正、負極性的瞬變電壓。 固體放電管有一定的結電容；在脈衝狀態下觸發電壓較直流擊穿電壓稍有提高（如200V的管子其脈衝觸發電壓為350V），比氣體放電管要好得多。固體放電管的失效模式是短路，其意義在於不會使故障擴大，也便於值班人員及時發現故障和處理故障[3]。

2.4.2 晶閘管型防護器件

晶閘管型防護器件有兩種：

ａ）控製柵極型雙向三端器件， 如SCR、TRLAO等。因為大多數電源電路的輸出端都有電壓過載保護
，用一個電平觸發SCR的控製柵極將輸出短路而中斷供電，響應時間約100μS，這對電壓敏感的器件有可能造成損壞，它的優點是耐電流量大，缺點是點火電壓易變化
，響應時間慢。

ｂ）控製維持電流型雙向兩端器件。由PNPNP五(wu)層(ceng)組(zu)成(cheng)
，其(qi)結(jie)構(gou)是(shi)在(zai)單(dan)芯(xin)片(pian)上(shang)逆(ni)向(xiang)並(bing)聯(lian)組(zu)成(cheng)的(de)複(fu)合(he)器(qi)件(jian)。該(gai)器(qi)件(jian)的(de)直(zhi)流(liu)放(fang)電(dian)開(kai)啟(qi)電(dian)壓(ya)與(yu)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)基(ji)本(ben)上(shang)不(bu)隨(sui)浪(lang)湧(yong)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)

，浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)增(zeng)加(jia)時(shi)
，該(gai)器(qi)件(jian)的(de)直(zhi)流(liu)放(fang)電(dian)開(kai)啟(qi)電(dian)壓(ya)基(ji)本(ben)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)。該(gai)器(qi)件(jian)還(hai)具(ju)有(you)響(xiang)應(ying)速(su)率(lv)快(kuai)、不需多級防護電路
、耐電流量大、靜電容量小、可靠性高等優點
，特別適用於防護雷電浪湧。

2.5  氣體放電管和壓敏電阻組合應用

氣qi體ti放fang電dian管guan和he壓ya敏min電dian阻zu都dou不bu適shi合he單dan獨du在zai交jiao流liu電dian源yuan線xian上shang使shi用yong。一yi個ge實shi用yong的de方fang案an是shi將jiang氣qi體ti放fang電dian管guan與yu壓ya敏min電dian阻zu串chuan聯lian起qi來lai使shi用yong。如ru果guo同tong時shi在zai壓ya敏min電dian阻zu上shang並bing聯lian一yi個ge電dian容rong，浪lang湧yong電dian壓ya到dao來lai時shi，可ke以yi更geng快kuai地di將jiang電dian壓ya加jia到dao氣qi體ti放fang電dian管guan上shang
，縮suo短duan導dao通tong時shi間jian。這zhe種zhong氣qi體ti放fang電dian管guan與yu壓ya敏min電dian阻zu的de組zu合he除chu了le可ke以yi避bi免mian上shang述shu缺que點dian以yi外wai，還hai有you一yi個ge好hao處chu就jiu是shi可ke以yi降jiang低di限xian幅fu電dian壓ya值zhi。可ke以yi使shi用yong導dao通tong電dian壓ya較jiao低di的de壓ya敏min電dian阻zu，從cong而er可ke以yi降jiang低di限xian幅fu電dian壓ya值zhi。

該連接方式對浪湧電壓的抑製作用如圖6所示。采用組合式保護方案能發揮不同保護器件的各自特點，從而取得最好的保護效果。

參考文獻：

[1]尹天文，王碧雲，蔣容興.電湧保護器脫離器的設計與研究[J].低壓電器，2006(08)：45-46

[2]許年生，劉明東.開關型SPD觸發技術的探討[J].低壓電器，2010(07):14-17

[3]王宏民.ABBOVRT1電壓開關型SPD的技術特點[J].低壓電器，2010(07):57-60