仪器仪表产品脉冲耐压试验要求和保护器件的选择

张翼翔

（上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海，200233）

0 引言

对于电气强度试验，除了交流、直流试验，国标GB4793.1也规定了脉冲电压形式的试验。该类型试验的要求、试验原理、如何选择器件应对，本文将作一些介绍。

1 GB4793.1脉冲试验

国标GB4793.1-2007规定了测量、控制和实验室用电气设备的安全要求，也适用于各类测控仪表设备。标准规定型式试验中，电气设备的固体绝缘应至少能承受规定值的交流或直流试验，而用于瞬态过压抑制装置的电路和元器件，则应能承受规定值的脉冲电压；例行试验中，电气设备的电源电路应能承受规定值的交流、直流、或脉冲试验。

常用的等级摘录如下表1和表2所示。

表1 用作瞬态过电压限制装置的电路和元器件的脉冲承受电压能力（简）

表2 电源电路例行试验的试验电压（简）

脉冲试验要求施加符合GB/T16927.1规定的1.2/50μs波形脉冲，正、负脉冲各5次，间隔至少1s。该脉冲波形与电磁兼容中浪涌（冲击）试验的脉冲波形相同，是指虚拟上升时间（波前时间）为1.2μs，半波宽（半峰值时间）为50μs的脉冲电压波形。该电压波形是发生器输出开路时的电压波形。发生器输出端短路时，形成短路电流波形，其特征为波前时间8μs，半峰值时间20μs。因此这样的发生器称作1.2/50-80/20μs组合波发生器或1.2/50μs组合波发生器。实际试验时的电压和电流波形是受试电路输入阻抗的函数。当脉冲施加至受试单元时，由于安装的保护装置动作，或没有保护装置，又或者保护装置不动作导致元器件出现飞弧、击穿，受试单元的输入阻抗会发生变化。因此方便起见，定义组合波发生器的有效输出阻抗为开路输出电压峰值与短路输出电流峰值之比。1.2/50μs组合波发生器的有效输出阻抗为2Ω。

GB4793.1规定对于过压类别2的元器件应该采用12Ω的发生器输出阻抗。这是通过组合波发生器有效输出阻抗2Ω加内部串联10Ω达到总体12Ω的输出阻抗。

由此我们可以推导出脉冲开路电压与短路电流的关系。

表3 根据发生器12Ω有效输出阻抗得出的开路电压与短路电流关系

2 瞬态过压装置的类别和选择

2.1 瞬态过压装置的分类

选择瞬态过压限制装置，不光要考虑装置的工作电压、动作电压、箝位电压、极限电压等电压参数，更应该考虑电流参数，包括放电电流和冲击电流等。

基本上，主流过压限制器件的工作原理是这样的：器件两端电压未达到工作电压前，呈高阻态，不影响原电路的正常工作；器件两端电压达到工作电压后，呈低阻态，导通两端形成新的放电路径，从而抑制电压进一步升高；当器件两端电压降低到恢复电压以下后，器件重新恢复到高阻态，结束一次保护动作。瞬态过压限制装置大体可以分作两大类，开关型和箝位型。主要区别在于，开关型器件进入工作状态后，阻抗急剧降低到接近于零，像导通的开关。这时，器件上会通过巨大的电流，但器件本身低阻，不会承受到很大能量，因此瞬态过压的能量会分摊给放电路径上的其他元器件。而箝位型器件达到工作点后，阻抗不会降到零，是随电压升高而降低，使得器件两端的电压维持在工作点附近，即箝位。这种情况下，由于器件两端始终保持着一定的电压，因此相比开关型，箝位器件上会分摊到不少放电形成的能量，从而减轻放电路径上其他元器件的应力。GDT（气体放电管）是典型的开关型保护器，而MOV（金属氧化物压敏电阻）则是典型的箝位型保护器。

由于上述特点，开关型和箝位型也有各自的优缺点。开关型器件动作时路径上的电流大，因此其额定放电电流相对更大，动作后，放电路径能更快耗尽能量。大电流对放电路径上器件的额定值要求也更大。因此开关型器件比较适合处理共模（线对地）冲击。箝位型器件工作时会维持两端电压，因此其额定放电电流相对较小，但可以通过箝位器件本身吸收、耗散掉更多的冲击能量，对放电路径上其他器件有更好的保护作用，适合处理差模（线对线）冲击。另外，箝位型器件跟随性好，反应快，例如MOV反应时间可达到纳秒级。而GDT根据设计指标反应速度普遍在微秒级。但相对GDT，MOV又具有相对较大的电容，因而影响高速通讯的正常工作。在短距离、低速通讯仪器仪表应用中，布置箝位型保护器件较为容易。

2.2 瞬态过压装置的选择方法

以MOV为例，选择MOV时，应考虑其允许运行电压，最大箝位电压，和浪涌电流额定值。另外要考虑重复浪涌性能，也就是设计寿命，因为型式试验中它至少要通过5正5负共10次重复测试。通常来说，MOV封装的尺寸正比其能量处理和重复浪涌性能。

显然，选择MOV的允许运行电压要参考布置MOV位置的环境。举例来说，如果是在应用在我国交流电网共模对地的情况，考虑到电网正常波动，可能会需要至少270VRMS的允许运行电压。

接下来，可以根据MOV制造商提供的不同尺寸MOV的重复浪涌性能曲线，把备选项缩小到某个MOV系列（封装尺寸）。重复浪涌性能曲线反应的是不同预计浪涌数量下，最大电流和脉冲宽度的关系。如图1所示。

图1 某系列MOV重复浪涌性能曲线

根据GB4793.1测试，MOV要承受10次浪涌脉冲。按简化工程计算，每个8/20μs电流浪涌具有20μs等效脉宽。因为试验是对每个器件/电路施加的，可以根据表1～3来估算需要的器件电流。与选择开关型器件不同，这种估算其实是偏向保守的，因为实际通过MOV的电流会因为它实际箝位时拉高电压而降低。

图2 MOV箝位工作时的电压-时间变化特性

选定MOV系列后，再用该系列MOV的电压-电流特性曲线（最大箝位电压曲线）来最终选定合适型号的MOV。这种曲线会指出上述系列中具体每个MOV的最大钳位电压与峰值电流的关系。如图3所示。

图3 所示某系列MOV的箝位电压与峰值电流关系

所选MOV的最大箝位电压应该小于要求脉冲承受电压。例如，根据表1、2，应用在24V直流供电/信号线路上的MOV，最大峰值电流100A下箝位至少应小于500V。器件本身耐瞬态峰值电压的性能，应该通过参数表头部所列的全系列耐压数据，而不是箝位电压-峰值电流曲线来选择确认。

3 总结

本文介绍了GB4793.1标准脉冲耐压的测试要求，总结了要求的测试等级。介绍了脉冲保护器件分类并举例了箝位型保护器件MOV的选择方法。为测试目的，要根据特定标准要求的脉冲干扰的耦合模式和浪涌电流波形的等效脉宽，来选择合适的保护装置。根据实际应用，也可能将开关型和箝位型器件一起使用或者替代使用。根据使用预期，和成本设计，有的时候需要产品在干扰期间连续运行，而有的时候可能只要求不会出现破坏，干扰出现器件产品的小偏差也能够被接受。相较于开关型器件，箝位型往往更容易维持产品在干扰期间的连续工作。