周 巖，楊長業(yè)

(1.南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210006;2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

氣體放電管在開關(guān)變換器中的應(yīng)用

周 巖1，楊長業(yè)2

(1.南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210006;2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

氣體放電管廣泛應(yīng)用于直流開關(guān)變換器的浪涌電壓抑制中，本文分析了氣體放電管的原理和工作特性，并結(jié)合工作特點(diǎn)指出了其在電路中的選擇和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了分析的正確性。

氣體放電管;浪涌電壓;開關(guān)變換器;抗浪涌

1 引言

為了避免雷電、線路故障等原因產(chǎn)生的浪涌電壓損害開關(guān)電源或干擾后級的電子設(shè)備，需要將浪涌電壓控制在一定的范圍內(nèi)。一般的設(shè)計(jì)思路是為浪涌電壓提供瞬間浪涌回路，在非常短的時(shí)間內(nèi)使浪涌電流分流到浪涌產(chǎn)生的源端，達(dá)到削弱過電壓的目的，從而使后級電子設(shè)備可靠工作。常用的器件有氣體或固體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管等器件以及它們的組合設(shè)計(jì)。

放電管(GDT）主要可分為氣體放電管和固體放電管兩大類。氣體放電管的放電介質(zhì)一般為惰性氣體，具有通流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其失效模式為斷路。固體放電管的放電介質(zhì)為硅PN結(jié)，是基于可控硅的原理和結(jié)構(gòu)的一種二端負(fù)阻器件，具有響應(yīng)快、抑制電壓效果好的優(yōu)點(diǎn)。但是其通流能力相對較低，且失效模式為短路，在很多場合和地區(qū)限制使用。

本文以直流開關(guān)變換器設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)分析了氣體放電管的工作原理和選型原則，提出了氣體放電管在開關(guān)變換器中的設(shè)計(jì)誤區(qū)與應(yīng)用要點(diǎn)。

2 原理與設(shè)計(jì)

2.1 氣體放電管的工作原理

氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內(nèi)部由兩個(gè)以上的帶間隙的金屬電極，充以惰性氣體構(gòu)成，是利用氣體放電理論的離子器件。當(dāng)加在管子兩端的電壓達(dá)到或超過其擊穿電壓時(shí)，氣體放電管可近似認(rèn)為一個(gè)變阻抗器件，由高阻抗迅速變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)，從而為干擾源提供泄放浪涌電流通路［1-2］。

如圖1所示，氣體放電管的電壓擊穿工作可主要分為三個(gè)過程［3］:

(1）擊穿(湯森）放電電壓過程

當(dāng)加在氣體放電管兩端的浪涌電壓超過擊穿放電電壓時(shí)，放電管內(nèi)部惰性氣體被電離(即達(dá)到湯森自持放電條件），放電管開始放電，此時(shí)流過氣體放電管的電離電流較小。氣體放電管的擊穿放電電壓分為兩種類型:直流擊穿放電電壓和脈沖擊穿放電電壓。通常，直流穩(wěn)態(tài)擊穿放電電壓幅值小于脈沖擊穿放電電壓幅值。對于上升速率越快的電壓脈沖，氣體放電管的響應(yīng)能力相對變差，脈沖擊穿放電電壓幅值越高。

(2）輝光電壓過程

當(dāng)浪涌電壓持續(xù)時(shí)，氣體放電管兩端的壓降迅速下降至輝光放電電壓，管內(nèi)電流開始明顯升高。如圖1所示，輝光電壓的幅值遠(yuǎn)小于擊穿放電電壓，氣體放電管的阻抗明顯降低，但流過的浪涌電流依然很小。

(3）弧光電壓過程

當(dāng)氣體放電管中流過的放電電流進(jìn)一步增大時(shí)，放電管便進(jìn)入弧光放電階段。放電管從輝光電壓到弧光放電電壓的過渡電流很小，在數(shù)安培之內(nèi)，依據(jù)不同廠家產(chǎn)品而定。此時(shí)氣體放電管兩端的電壓達(dá)到最小值，處于導(dǎo)通狀態(tài)，且弧光電壓在額定的電流變化范圍內(nèi)保持近似穩(wěn)定。

圖1 氣體放電管電壓-電流放電曲線Fig.1 Discharge V-A curve of GDT

當(dāng)浪涌電壓干擾消退時(shí)，由于流過氣體放電管的電流不斷降低，氣體放電管的工作狀態(tài)和前述的放電過程相反，弧光放電將過渡輝光放電狀態(tài)，最后結(jié)束整個(gè)放電狀態(tài)(熄弧）。從以上分析的氣體放電管工作過程可知，其流過的電流幅值與兩端工作電壓、持續(xù)時(shí)間有關(guān)，因此其電流函數(shù)關(guān)系式可表示為:

2.2 氣體放電管的選型要點(diǎn)

為使氣體放電管可靠的工作，可按以下幾個(gè)主要因素選擇具體型號:

(1）確定直流穩(wěn)態(tài)電壓

氣體放電管使直流擊穿放電電壓具有很大的誤差范圍，因此需要保證直流擊穿放電電壓最低值高于開關(guān)變換器的最大輸入電壓，并留有一定的裕量。如此才能保證在正常工作時(shí)氣體放電管不被誤導(dǎo)通。

(2）確定流過的浪涌電流強(qiáng)度

按照 IEC61000-4-5、IEC60950-1等相關(guān)的浪涌電壓、安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對開關(guān)變換器的不同輸入線間各打5次的組合浪涌電壓。同時(shí)，不同的客戶對產(chǎn)品所需承受的浪涌電壓次數(shù)也有不同要求。氣體放電管可靠工作所能承受的浪涌電流強(qiáng)度與浪涌電壓打擊次數(shù)直接相關(guān)，次數(shù)越高電流耐受能力越低。

同時(shí)需要確定模擬的浪涌電壓峰值、持續(xù)時(shí)間、內(nèi)阻等指標(biāo)，以此確定流過氣體放電管的最大峰值電流。在開關(guān)變換器中，氣體放電管一般與壓敏電阻或穩(wěn)壓管組合串聯(lián)使用。最大峰值電流為

其中，Vsource為浪涌電壓的峰值電壓;rsource為浪涌電壓的內(nèi)阻值;Vclamp為壓敏電阻或穩(wěn)壓管的鉗位工作電壓;Vp為氣體二極管短路工作時(shí)的弧光電壓。

(3）選擇寄生電容和絕緣阻抗

氣體放電管的規(guī)格書中一般會給出在1MHz測試條件下的寄生電容，寄生電容越小，氣體放電管對浪涌電壓的響應(yīng)越快。同時(shí)，陶瓷氣體放電管的絕緣阻抗要比玻璃氣體放電管的絕緣阻抗大一個(gè)數(shù)量級，因此在相同條件下，陶瓷氣體放電管對浪涌電壓具有更快的響應(yīng)速度。

2.3 氣體放電管在開關(guān)變換器中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

需要重點(diǎn)提出的是，和用于信號傳輸?shù)耐ㄐ哦丝谥苯釉诰€兩端接氣體放電管不同，應(yīng)用于開關(guān)變換器輸入端口的氣體放電管不能單獨(dú)直接接在不同線端之間，如圖2所示。在正常使用時(shí)，由于氣體放電管的直流擊穿電壓高于輸入電壓，氣體放電管處于斷路狀態(tài)。但當(dāng)輸入電壓端口出現(xiàn)浪涌電壓高于擊穿放電電壓時(shí)，氣體放電管將會始終處于短路狀態(tài)，如圖1所示，因此直接在輸入電壓端口加氣體放電管是不允許的。

圖2 開關(guān)變換器中GDT的錯(cuò)誤用法Fig.2 Wrong application of GDT in power supply

與高輸入電壓需要增加氣體放電管的安規(guī)要求不同，工作在低輸入安全電壓范圍內(nèi)的直流開關(guān)變換器可以直接在大地和輸入端口線間直接使用壓敏電阻等抗浪涌器件。但由于氣體放電管的失效模式為斷路，可保護(hù)壓敏電阻失效后產(chǎn)生的自燃自爆等現(xiàn)象。如圖3所示，一般將壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)應(yīng)用。在這個(gè)支路中，氣體放電管將起一個(gè)開關(guān)作用，在正常工作時(shí)壓敏電阻中幾乎無泄漏電流，提高了壓敏電阻工作的可靠性。

圖3 GDT與壓敏電阻構(gòu)成的抗浪涌電路Fig.3 Surge suppress circuit

當(dāng)浪涌電壓產(chǎn)生時(shí)，瞬間的高壓將會導(dǎo)致前級EMI共模電感工作在飽和狀態(tài)，導(dǎo)致漏感與電容諧振產(chǎn)生較強(qiáng)的諧振電壓和諧振電流，將會對后級電路產(chǎn)生嚴(yán)重影響，嚴(yán)重時(shí)可燒毀功率器件和各類IC芯片。因此可以在共模電感一側(cè)并聯(lián)氣體放電管，利用氣體放電管的短路特性來抑制其諧振特性，可有效降低諧振電壓尖峰，如圖4所示。

圖4 利用GDT的特性抑制諧振電壓Fig.4 Using GDT to avoid resonant waveform

3 實(shí)驗(yàn)

為了分析氣體放電管對浪涌電壓的抑制效果，分別驗(yàn)證了壓敏電阻、壓敏電阻串聯(lián)陶瓷氣體放電管、壓敏電阻串聯(lián)玻璃氣體放電管不同組合對浪涌電壓的動態(tài)響應(yīng)特性。浪涌電壓的規(guī)格為開路電壓為 1.2 /50μs、2000Vmax，短 路 電 流 為 8/20μs、167Amax，12Ω內(nèi)阻的組合波。選用的陶瓷氣體放電管為 EPCOS公司的 S30-A150X［4］，其寄生電容 ＜1pF，阻抗＞1GΩ。;選用的玻璃氣體放電管為三菱公司的 DSP-141N［5］，其直流擊穿放電電壓為140V，其寄生電容 ＜1pF，阻抗 ＞100MΩ。壓敏電阻選用的是EPCOS公司的 S10K50，其額定標(biāo)注的鉗位開始工作直流電壓為65V。

圖5為浪涌電壓直接加在壓敏電阻兩端時(shí)的瞬態(tài)電壓試驗(yàn)波形。從圖中可以看出浪涌電壓從2000V被有效鉗位在絕對值為138V左右，因此壓敏電阻可有效地抑制浪涌電壓。

圖5 壓敏電阻鉗位浪涌電壓Fig.5 Surge waveform suppressed directly by VDR

圖6為浪涌電壓加在壓敏電阻串聯(lián)玻璃氣體放電管兩端時(shí)的瞬態(tài)電壓試驗(yàn)波形。由圖中可以看出玻璃氣體放電管的加入降低了壓敏電阻對浪涌電壓的抑制能力。在浪涌電壓出現(xiàn)瞬間，由于玻璃氣體放電管的脈沖擊穿放電電壓數(shù)值較高，整個(gè)抑制電路回路處于斷路狀態(tài)，因此在浪涌電壓初期產(chǎn)生一個(gè)明顯的脈沖電壓尖峰，高達(dá)680V。但當(dāng)玻璃氣體放電管進(jìn)入弧光電壓工作時(shí)，電壓抑制波形和單獨(dú)使用壓敏電阻的效果類似，在原有壓敏電阻電壓鉗位的基礎(chǔ)上疊加很低的弧光電壓。

圖6 壓敏電阻串聯(lián)玻璃GDT鉗位浪涌電壓Fig.6 Surge waveform suppressed by VDR in series with glass GDT

圖7為浪涌電壓加在壓敏電阻串聯(lián)陶瓷氣體放電管兩端時(shí)的瞬態(tài)電壓試驗(yàn)波形。與圖6的玻璃氣體放電管串聯(lián)壓敏電阻的鉗位效果比較，由于陶瓷氣體放電管的絕緣阻抗比玻璃氣體放電管絕緣阻抗高一個(gè)數(shù)量級，在浪涌電壓出現(xiàn)瞬間并未出現(xiàn)脈沖電壓尖峰，在輸入電壓設(shè)定為50V的條件下，也僅有168V的瞬間尖峰。雖然相對于直接使用壓敏電阻的效果相比反向電壓高了約60V，但考慮到引入氣體放電管帶來的諸多優(yōu)點(diǎn)，這種組合對抑制浪涌電壓的能力相對最優(yōu)。

圖7 壓敏電阻串聯(lián)陶瓷GDT鉗位浪涌電壓Fig.7 Surge waveform suppressed by VDR in series with ceramics GDT

4 結(jié)論

氣體放電管廣泛應(yīng)用于開關(guān)變換器的抗浪涌設(shè)計(jì)中，深入理解氣體放電管的工作特性十分必要。本文對氣體放電管的工作原理和使用要點(diǎn)做了詳細(xì)分析，同時(shí)對其常見的使用誤區(qū)做了簡要介紹。最后，對壓敏電阻、壓敏電阻串聯(lián)陶瓷氣體放電管、壓敏電阻串聯(lián)玻璃氣體放電管等分別做了實(shí)驗(yàn)性能對比，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

References）:

［1］薛紅兵，段平，張廣春 (Xue Hongbing，Duan Ping，Zhang Guangchun）.氣體放電管在浪涌抑制電路的應(yīng)用(The application of gas tube for surge protected circuit）［J］.電源技術(shù)應(yīng)用 (Power Supply Technologies and Applications），2002，5(8）:47-49.

［2］周衛(wèi)娟，張世定 (Zhou Weijuan，Zhang Shiding）.氣體放電管性能的研究與改善 (The research and improvement for performance of the gas discharge tube）［J］.電子器件 (Chinese Journal of Electron Devices），1998，21(2）:124-130.

［3］陳超中，施曉紅，於立成，等 (Chen Chaozhong，Shi Xiaohong，Yu Licheng，et al.）.LED 路燈防浪涌干擾設(shè)計(jì)中的絕緣耐壓問題解析 (Analysis on the electric strength problem in the surges protection design for LED road luminaires）［J］.中國照明電器 (China Light＆Lighting），2010，(7）:10-16.

［4］EPCOS Company.Surge arrester［EB/OL］.［2007-10-09］.http://www.epcos.com/inf/100/ds/s30_a150x_x6071.pdf

［5］Mitsubishi Company.DSP series GDT［EB/OL］.［2004-01-01］.http://www.mmc.co.jp/adv/dev/chinese/index.html

Applications of gas discharge tube for switching mode power supply

ZHOU Yan1，YANG Chang-ye2
(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210006，China;2.Institute of Meteorology，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

The gas discharge tube(GDT）is often used for surge voltage suppression in switching mode power supply.This paper introduces some basic GDT's characteristics at first，such as DC spark over voltage，impulse spark over voltage，discharge current curve when the GDT is applied with different voltages，the technological requirements and the technical standards.The paper chiefly discusses two configurations for the common-mode surge voltage suppress circuit:voltage dependence resister in series with glass GDT and voltage dependence resister in series with ceramics GDT.According to the GDT working characteristics，the different types of GDTs will show different surge voltage suppression performances.Compared with the glass GDT，the ceramics GDT shows a faster response to a defined impulse surge voltage.Finally，the paper summarizes the performance of GDTs for surge voltage suppress in switching mode power supply，and gives some conclusions for selecting and using GDT.The experiment results verify the theoretical analysis.

gas discharge tube(GDT）;surge voltage;switching mode power supply;surge suppression

TN 86;TM46

A

1003-3076(2012）04-0088-04

2011-09-27

南京郵電大學(xué)?？蒲谢鹳Y助項(xiàng)目(NY211019）

周 巖 (1980-），男，江蘇籍，講師，博士，研究方向?yàn)楣β首儞Q器及其控制，EMI設(shè)計(jì)及浪涌防護(hù)，無線電能傳輸。