如何保护电子元器件：过电压与过电流保护器件

由于过电压、过电流或过热都会损坏电力半导体器件，所以要使用辅助保护器件。为了加强电力半导体器件的热耗散，还需要加散热器。

1.浪涌保护器件

（1）浪涌保护器件分类 浪涌保护器件分为开关保护器件和箝位保护器件两大类。开关保护器件也称为“撬棍”（Crowbar）器件，如气体放电管（Gas Discharge Tubes，GDT）和晶闸管浪涌抑制器等。箝位器件，如金属氧化物压敏电阻（Metal Oxide Varistor，MOV）和瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）等。

1）气体放电管（GDT）：采用陶瓷封装的GDT，内部充满电气性能稳定的惰性气体，在正常条件下是关断的，极间电阻达兆欧以上。当浪涌电压超过电路系统耐压时，气体放电管被击穿而发生弧光放电现象。由于弧光电压仅为几十伏，因而可在短时间内限制浪涌电压进一步上升。

2）金属氧化物压敏电阻（MOV）：当电压低于压敏电阻的阈值电压时，流过其中的电流极小；当电压超过阈值电压时电流激增。利用该功能可抑制电路中出现的异常过电压，保护电路免受损害

3）瞬态电压抑制器（TVS）：是一种特殊的稳压二极管，当承受高能量大脉冲时，其阻抗立即降至极低的导通值，允许大电流通过，把电压箝位在预定水平，其响应时间极快。TVS分为单向（Unidirectional）和双向（Bidirec-tional）两种，如图9-34所示。单向TVS由一个齐纳二极管组成，具有非对称的I-U特性，用于直流保护；双向TVS由两个背靠背的齐纳二极管组成，具有对称的I-U特性，可以实现双向箝位，用于交流保护。

图9-34 单向TVS与双向TVS

4）聚合物静电抑制器（P-ESD）：由于聚合物（高分子功能材料）内部分子以规则离散状排列，当静电电压超过触发电压时，内部分子迅速产生尖端对尖端放电，将静电在瞬间泄放到地。其特点是响应速度快（0.5～1ns）、极间电容（0.05～3pF）和漏电流（1μA）很低，适用于各种接口的防护。

5）陶瓷静电保护器（C-ESD）：除了具有P-ESD所有功能和特性外，兼有触发电压更低、工作寿命更长等优点，在静电保护元器件中性价比最好。

（2）保护器件的特性 浪涌保护器件作为过电压保护时通常并联在被保护器件两端，作为过电流保护时串联在电路中。在过应力期间，当达到触发电压时，开关保护器件导通而产生短路；而箝位器件会将电压箝位在一个确定电压值。如图9-35a所示，开关保护器件具有低的通态压降，可将敏感电子元器件的电压等级维持在临界值以下。由于功耗很低，可以传导大电流。图中的擎住点（Holding Pi-ont）是开关保护器件的重要参数，对应于维持通态所需的最低电压和电流。如果被保护的电气节点能提供擎住点的电压和电流水平，则在电应力消除后，开关保护器件可以不用关断，否则开关保护器件必须保证在电应力消除后彻底关断，并在正常工作期间不开通，而箝位不存在应力过后的不关断问题。

箝位器件会产生很高的功耗，并由内部耗散，因此在通态时要求箝位器件有较低的动态电阻，以确保流过大电流时产生压降不超过电路中敏感元器件所允许的电压等级。如图9-36b所示，开关保护器件（包括GDT和导通的晶闸管）工作电流较大、电压较低；箝位器件（包括MOV、TVS、GDT及阻断的晶闸管）的电压较高，电流相对较低。相比较而言，GDT可提供最好的AC功率和高浪涌电流容量，低电容使GDT更适合高速系统；晶闸管在低电流下可以提供更好的脉冲保护；MOV成本较低；TVS在低损耗应用中可提供更好的性能。

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图9-35 各种过电压保护器件不同的I-U特性

2.过电流或过热保护器件

过电流或过热保护器件包括正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）热敏电阻、负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）热敏电阻、熔断器（Fuses）、加热线圈（Heat Coil）、馈线电阻（Line Feed Resistors）以及热开关（Thermal Switches）。

（1）正温度系数（PTC）热敏电阻 在正常情况下线路中电流所产生的热量很小，因而电路保持低阻导通；当电流增加时温度会升高，PTC热敏电阻的阻抗迅速提高，使回路的电流迅速变小，达到保护的目的。PTC热敏电阻的温度系数α_T可达60%/℃（α_T表示温度变化1℃时的阻值变化率，单位为%/℃），转换温度或居里温度（指阻值突变时的温度）一般为60～120℃。

（2）负温度系数（NTC）热敏电阻 NTC热敏电阻的阻值随温度升高而降低，利用这一特性可制成测温、温度补偿和控温元件及功率型元件，抑制电路中的浪涌电流。NTC热敏电阻可以承受大功率，也称为功率热敏电阻。

（3）熔断器 当电流异常上升到一定幅值并持续一段时间后，熔断器自身熔断，切断电流，起到保护电路的作用。自恢复熔断器是一种正温度系数（PTC）热敏电阻，当电路发生过电流时内阻升高，当达到转换温度时呈阶跃式突变，内部呈雪崩态，电流被夹断，从而对电路进行限制和保护；当断电和故障排除后，能恢复为常态，无须人工更换。低熔点合金温度熔断器（熔丝）是防止发热电器（例如变压器、电动机等）温度过高而进行保护的，通过调整合金的配方就能够调节熔化的温度。

（4）熔断电阻器（俗称保险电阻） 当电路出现异常或过载超过其额定功率时，熔断电阻器会像熔丝一样熔断，使电路断开而起到保护作用。通常仅能应用于短路保护，兼有电阻器和熔断器功能。

（5）热开关/热继电器 是用双金属片作为感温组件的温控器，正常工作时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合/断开状态；当温度达到动作温度时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，断开/闭合触点，切断/接通电路，起到控温作用。当电器冷却到复位温度时，触点自动闭合/断开，恢复到正常工作状态。

表9-3列出了常用的过电压与过电流保护器件及其特点^[2]。可见，浪涌过后，所有的限压器重新复位，电流保护器是否重新设置取决于其工作机制。其中PTC热敏电阻器是自恢复的，熔断器则是非自恢复的。

表9-3 常用的过电压与过电流保护器件与技术