浅谈TMOV对家用电器的浪涌防护.pdf

浅谈TMOV对家用电器的浪涌防护 刘东乐 厦门赛尔特电子有限公司 361006 摘摘摘摘要要要要 金属氧化物压敏电阻 以下简称 MOV 以其优越的非线性 伏安特性 在浪涌保护领域应用十分广泛 并处于重要地位 由于 MOV 在工作时存在一定的漏电流 在持续电压作用下漏电流有增大 的倾向 而且在大电流作用下 其性能更易发生劣化和失效 特别是 在需要使用直径达到 10mm 及以上的 MOV 在劣化和失效时 往 往产生大量的热量 MOV 燃烧和爆裂的现象时有发生 必需有过热 保护措施 目前 出现了多种对 MOV 过热保护方式 其中以具有热 保护的金属氧化物压敏电阻器 以下简称 TMOV 最为引人注目 它 比较符合国家 GB18802 1 2002 及国际 TEC61643 UL1449 3rd的 相关防雷标准 有希望逐步替代没有任何热保护的 MOV 应用于家 用电器中 并成为家用电器首选的浪涌防护器件 为用户带来切实可 靠的安全保障 关关关关键键键键词词词词 浪涌保护 MOV TMOV 热保护 Abbreviated TMOV Liu Dongle Xiamen SET Electronics 361006 Abstract Metal Oxide Varistors play a critical role in the field of surge protection and widely used as key component for over voltage protection owing to its excellent Non linear Volt ampere Character However the MOVs might thermal runaway due to the increasing leakage current or burn and burst in the event of a short circuit fault For against MOV s failure and preventing catastrophic accident it is necessary to add a breaker connecting with the MOV in series At present many solutions of MOV s thermal protection arise the different solution uses different technology Thermal fuse technology is a prominent and effective solution because it has a good thermal coupling with the physical body of the MOV When the body of MOV being heated up by the fault current through it the thermal fuse will break Thermally protected MOVs which integrate a thermal fuse and a disk Varistor in a single package comply withUL1449 3rd IEC61643 GB18802 1 2002 standard Thermally protected MOVs can substitute the standard MOV and offer higher security never fire or burn most suitable for home appliance against surge protection 1 前言 1 前言 随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高 用电设备越来 越多 电网越来越密 电气设备遭受雷害的事件也频出报端 雷电灾 害虽是小概率事件 但发生时往往伴随着巨大的财产损失 甚至危及 人身安全 近年来国家对防雷减灾工作已十分重视 雷电灾害主要由直击雷 感应雷和雷电波侵入三种因素引起 一 般建筑物上的避雷针 防雷带以及引下线等防雷设施只能预防直击 雷 而强大的电磁感应产生的感应雷和由雷电波侵入的过电压却能袭 入室内 危及家用电器设备的安全 轻则引起设备失灵 重则导致设 备内元器件失效 甚至引发火灾 电源浪涌不仅源于雷击 还源于出现故障的电力系统 当投切 大负荷时 会产生叫做 操作过电压 的电源浪涌 雷击浪涌发生时 通过电网快速传输 虽经衰减 但到室内安放的家用电器时可能仍有 上千伏 这个高压脉冲的持续时间很短 只有几十到几百个微秒 也 许不足以烧毁电视机 空调器及洗衣机等家电设备 但是对于家电内 部的半导体元器件却造成很大的威胁 直接影响家电使用效果和寿 命 据有关资料 美国 GE 公司测定一般家庭 饭店 公寓等低压配 电线 110V 在 10000h 约一年零两个月 的时间内 在线间发生的超 出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到 800 余次 其中超过 1000V 的就有 300 余次 这样的浪涌电压完全有可能一次性地损坏 电子设备 2 MOV 的广泛运用 2 MOV 的广泛运用 为了解决家用电器可能遭受的雷电涌压 很多家用电器都装配了 压敏电阻器 如电视机 空调 洗衣机 电冰箱 电脑等 金属氧化 物压敏电阻器 Metal Oxide Varistor 简称 MOV 它以其优越的非线 性的伏安特性 及快速的响应速度 大的通流容量 没有续流 低的残 压等优点 被广泛用作线路 设备及元器件的过电压保护和浪涌吸收 元件 例如 电视机 空调 电脑 洗衣机等多已安装 14mm 或 20mm 的 MOV 3 MOV 为何要采取过热保护 为何要采取过热保护 MOV 虽有卓越的功能和作用 但它可能因工作一段时间后泄漏 电流的增大或因多次承受雷电流或因暂时过电压的作用而失效 特别 是 10mm 及直径更大的 MOV 在失效时将伴随着大量热量 如果没 有有效 迅速的保护措施 将失效了的 MOV 及时从线路中脱离 便 会造成整个供电线路的短路事故 并引起着火或爆炸 MOV 失效模 式主要分为大电流失效和小电流失效两种 大电流失效模式是 MOV 遇到暂时过电压 MOV 被快速击穿 形成低阻抗短路 短路电流很 大 可以依靠与 MOV 串联的电流熔断器来切断电路 MOV 在小电 流失效模式下 主要由 MOV 频繁承受浪涌侵袭 漏电流增大引起高 阻抗短路 此时与 MOV 串联的熔断器不能达到它的熔断电流而无法 熔断 高阻抗短路会产生很大的焦耳热 引起 MOV 周围的可燃材料 的温度升高 如没有过热保护措施 就可造成 MOV 燃烧和爆裂现象 的发生 如采取了过热保护措施 那么就可使 MOV 在温度异常升高 时从电路中脱离 以保障电路及设备安全 4 MOV 热保护的措施热保护的措施 目前 市场上对 MOV 保护的方法和产品主要有以下几种 4 1 增加 MOV 自身的防燃和抗爆能力 在 MOV 本体上装热缩套管来增加 MOV 的抗爆能力 把 MOV 放入盒体中 再灌入石英砂等来防燃 采取这些措施以后 虽在一定 程度上减少了 MOV 的起火现象 但是治标而不治本 MOV 在发热时 产生的热量 虽一部份被削弱 但其余的热量还能通过 MOV 的引线 快速传至电源的线路板 造成线路板碳化而引发火险 也能使 MOV 的温度升高而发生热击穿着火 更重要的是这些方法 它不能抑制 MOV 失效和监视 MOV 的性能状态 把失效的 MOV 从电路中脱离 它不符合国家防雷规范 GB18802 1 2002 等标准对防雷器件的相 应要求 4 2 抑制 减缓 MOV 的劣化 目前采取的方法 主要有两种 其一 MOV 并联使用 采用几个 MOV 并联要比仅采用单个 MOV 可靠 因为采用单个 MOV 进行保护 一旦该 MOV 失效 则被保护电子设备就将失去保 护 而当采用几个 MOV 并联保护后 在 MOV 并联体中 如果其中 一个被损坏 其它完好者仍可担负起保护作用 在应用于较大暂态 过电流的保护场合时 采用多个 MOV 并联与单个 MOV 相比 多个 MOV 并联可以给出较低的箝位电压 可以提高泄放暂态过电流的能 力 还可延缓其中各 MOV 的性能劣化 但在并联时 还需考虑均流 等问题 否则难以达到预想效果 在暂态过电流不大的保护家用电器 场合 采用多个 MOV 并联一般没有明显优势 反而会增加成本负担 因此 家用电器采用单个 MOV 进行浪涌保护是有效的 其二 MOV 与 GDT 气体放电管的简称 配合使用 此种方式又分两种 a MOV 与 GDT 的并联使用 MOV在通过持续大电流后 自身的性能会退化 将MOV与GDT 并联起来可以克服这一缺点 在 GDT 尚未放电导通之前 MOV 就 先动作 吸收瞬时过电压 然后 GDT 放电导通 这时大部分浪涌电 流通过 GDT 减小了对 MOV 的通流压力 有助于减缓 MOV 的性 能退化 但是必须指出 这种并联组合电路并没有解决 GDT 可能产 生的续流问题 因此 它不宜应用于交流电源系统的保护 对家用电 器的浪涌保护是不可取的 b MOV 与 GDT 的串联使用 在这种串联组合电路中 GDT 像是起着一个开关作用 当没有 瞬态过电压作用时 它能够将 MOV 与供电电源隔离开 没有施加工 频电压 在 MOV 中几乎无泄漏电流 这种方式可有效的解决 MOV 的漏电流不断增大的问题 如果单独把 GDT 使用在电源电路中 GDT 会产生续流 然而 当把 MOV 与 GDT 串接时 其间的 MOV 就能够切断这个续流 这种方法曾在美国 西班牙 日本 荷兰等国 SPD 防雷制造商那里获得了成功的经验 我国的铁道信号防雷装置 中 早在八十年代初已开始应用 也取得了良好的效果 虽然 MOV 与 GDT 串联可用在各种保护模式中 能够克服 MOV 的泄漏电流逐 渐增大的问题 但是 这种 MOV 与 GDT 串联却不能用在末级防雷 装置中 因为 GDT 对过电压的响应时间总是比 MOV 慢 GDT 与 MOV 串联 MOV 响应时间快捷的优点被 GDT 响应时间慢的缺点限 制了 在 GDT 还没有响应前 输入的过电压并没有受到抑制 这个 尖峰电压会施加到被保护设备上 这个尖峰电压对灵敏的电子设备是 一个威胁 如果使用仪器来测量由 MOV 与 GDT 串联电路抑制后的 限制电压波形 可以清楚地看到这个波形的前面有一个持续时间很短 的尖峰 如果这个尖峰也认为是限制电压 即使尖峰的持续时间很短 若被保护设备是有大规模集成电路或超大规模集成电路构成的就不 能承受这个尖峰电压 一般 MOV 与 GDT 串联使用的方案只能用于 第二级防雷保护装置中 对于家用电器的末级的浪涌保护 用这种方 法显然是不可取的 4 3 用正温度系数热敏电阻 PTC 与 MOV 串联使用 利用 MOV 过压响应时的电流和发热升温使 PTC 热敏电阻快速 反应 对 MOV 进行过温保护 此种方式 在一定程度上可减少 MOV 的导通时间 抑制导通电流量 减少焦耳热的发生 对 MOV 有一定 的保护效果 但由于 PTC 通流能力差 采用这种方法对家用电器的 浪涌保护明显不足 如 MOV 失效 PTC 还是存在不能把其从电路中 及时脱离的缺陷 4 4 对 MOV 采取热保护 目前 对 MOV 采取热保护的方式也分两类 一类是机械式的热 脱离机构 另一类是采用与 MOV 有一定的热耦合作用的温度保险丝 简称 TCO 机械式的热脱离机构在众多的防雷装置中早已应用 大体上是利用杠杆平衡原理来设计这种热脱离机构的 采用 TCO 作 为 MOV 的热保护也有两种 即外靠式和内置式 外靠式是把一个 TCO 与一个 MOV 通过紧贴在一起构成串联连接 为了增加 TCO 与 MOV 之间的热耦合程度 可在二者之间可加导热硅胶 或把二者用 热缩管绑扎起来的 还可以再加一外壳进行包封 此种热保护方式对 MOV 的小电流失效 即慢慢升温引起的失效有保护作用 但由于 MOV 与 TCO 之间的热耦合不紧密 因此热保护效果受限 内置式 即热保护型压敏电阻器 Thermally Protected MOV 简称 TMOV Thermally Protected MOV 简称 TMOV 是近年来兴起的 MOV 保护器件 主要在 MOV 本体上增 加一个 TCO 这个 TCO 内电阻很小 不但自身不发热 而且流过大 电流时电压降很低 TCO 紧靠 MOV 之间具有相当好的热耦合性能 能够比较灵敏地感受到 MOV 的温度升高 简称温升 又由于 TCO 与 MOV 是互相串联的 当 TCO 受热断开时 就切断了 MOV 的供 电通路 使 MOV 的温升不再提高 这样就达到了热保护的目的 5 TMOV 现状现状 TMOV 最早由美国力特 Littelfuse 公司推出 经过近十年的 快速发展 目前全球的 TMOV 生产厂家已达几十家 截止 2010 年 6 月已获得 UL 认证的 TMOV 厂家就有近二十家 其中欧美企业就 有十几家 来自中国台湾地区的有三家 中国大陆企业仅厦门赛尔特 一家 除了力特公司和厦门赛尔特公司以外 其他公司设计的 TMOV 几乎都是外购单个的 TCO 元件 未加导热片 就直接焊接在 MOV 瓷片上 然后再进行防潮包封而成 这种设计的 TMOV 存在一些不 足之处 因为需要进行防潮包封 不得不选用动作温度高的熔断温度 的合金丝 例如 力特公司的合金丝的熔断温度选择为 183 详 见其专利描述 若选用 120 的熔断温度的合金丝 就无法用环氧 粉末包封工艺进行包封 比较高的熔断温度的合金丝的过热保护效果 就显得不足了 其次 外购的 TCO 产品由于用途不同 本身并不考 虑承载脉冲电流能力 所以并没有脉冲电流耐量的技术指标 也不需 要考核脉冲电流耐量 即使各个制造商的 TCO 的额定电流相同 而 脉冲电流耐量相差很悬殊 另外 外购的 TCO 与 MOV 之间的连接 必须通过焊接工艺过程 工艺质量与人的因素有关 由于操作者的不 良操作 可能会损伤 TCO 内的合金丝 而导致额定工作电流以及脉 冲电流耐量的降低 最后 TCO 与 MOV 之间未加导热片 热传导 效果差 如遇 MOV 边缘击穿 TOC 有时会来不及响应 导致 TCO 未断 MOV 先着火的情况 起不到保护的作用 目前 此行业国家 还未制定相关标准 仍处鱼龙混杂的时代 希望有关部门多加关注和 重视 6 TMOV 产品特点及在家用电器的电源浪涌保护方案产品特点及在家用电器的电源浪涌保护方案 下面以厦门赛尔特产品为例 介绍其 TMOV 产品特点及其在家 用电器的应用方法 厦门赛尔特生产的热保护型压敏电阻 TMOV 是在保持 MOV 特性的情况下 把 TCO 与 MOV 串联置入一壳体中 再用环氧树脂 灌封 与常规 MOV 相比 多了一只引脚 用于监测 MOV 的工作状 态 实现劣化指示和告警功能 厦门赛尔特的 TMOV 已经获得中国 发明专利 还获得了国际合作开发专利和台湾专利在内的多项专利 并取得 UL TUV 和 PSE 认证 并获得 2009 年度国家火炬项目证 书 厦门赛尔特 TMOV 是采用公司自己特制 适用于浪涌保护的 TCO 它不仅内阻非常小 耐脉冲电流能力强 而且它的外壳耐温能 力可达 即使 MOV 在放置 TCO 的位置击穿 也破坏不 了 TCO 的熔断性能 大大增加了保护的安全性和可靠性 而普通的 TCO 其外壳耐温能力不足 若 MOV 在此位置击穿 瞬间 的高温极易使 TCO 外壳融化 而造成 TCO 两根引线短路 造成失 效的 MOV 无法脱离电路 引发事故 且 TCO 与 MOV 本体通过铜 导热片连接 热耦合非常紧密 在 TCO 内设置有性能优良的助熔断 剂 有助于把熔化了的合金丝变成两个小球缩回到两端 大大提高了 灭弧能力 值得称道的是 用于 TMOV 的 TCO 的焊接工艺也是由 公司自制的自动化的机械设备来完成的 没有人为因素来影响 TCO 的质量问题 保证了产品性能的一致性 TMOV 作为浪涌保护器的 标准元器件 既可作为一个独立的浪涌抑制器安装在电器里面 亦可 作为浪涌保护器 如 TVSS 和 SPD 的元器件 现已广泛用于 3G 通信 铁路及军工项目 TMOV 品种规格繁多 为满足家用电器市 场需求 针对性的开发适应家电客户需求的体积小 维护方便 性能 优越TMOV产品 完全符合IEC 60065 1998 对应GB8898 2001 和 IEC60950 对应 GB4943 2001 相关标准 还能实现可插拔 表 面贴装等功能 可用于波峰焊接 使用和更换都十分方便 产品如图示 图 TMOV 产品 图 具体尺寸略 另外 由试验可知 TMOV 的电气性能参数与常用的 MOV 参数 完全一致 可见 MOV 与 TCO 串接 并不影响 MOV 的电气性能 6 1 具有 TCO 断开指示 图 2 电路图 从图 2 可知 当 MOV 正常工作时 指示灯亮 当 MOV 过温时 TOC 熔断 指示灯灭 这种方式不仅能对 MOV 的异常升温可进行 量化控制 即可对 MOV 预设温度值 以决定让它多少温度从电路中 脱离 还能监视 MOV 是否失效与电源电路分离 让家电的电源随 时处于安全保护中 完全符合国家有关防雷规范和标准要求 6 2 TCO 能切断被保护设备的供电回路 图 3 电路图 从电路图 3 可知 当 MOV 正常工作时 TCO 处于导通状态 电器设备正常工作 当 MOV 或电器设备异常升温时 TCO 熔断切 断供电回路 此时电器设备断电停止工作 需修复才能使用 此方法 使用电路简单 可有效保障家电安全 避免超温失火的危险 如没有 TCO 对 MOV 保护 MOV 在试验电流大于 100mA 时 就会着火燃烧 MOV 如试验电流在 1A 以上 着火不仅迅速 而且 非常剧烈 而 TMOV 即使试验电流达 15A 以上 也能安全切断而不 会燃烧 图 4 TMOV 保护效果测试结果 图 4 是在同样试验条件下 分别让压敏电阻通以 A