作者：莫基英 赵岳 周垠群 沈能文（深圳市槟城电子股份有限公司）
摘要 ：
针对压敏电阻（MOV，电压限制型元件）与陶瓷气体放电管（GDT，电压开关型元件）串联组成的复合型电涌保护器（SPD）的设计问题进行研究，并对 GDT 进行创新设计。对此类常规复合型 SPD 的设计方案进行研究，发现其无法兼具残压低、工作电压高的电气性能。通过独特创新的触发电路设计了创新型 GDT，形成的串联复合型 SPD 兼具残压低、工作电压高的电气性能优势。针对“应用于未来各种高工作电压，低残压要求的 SPD 设计”需求，提供了一种有效、全新的设计理念。
本文发表在《安全与电磁兼容》2024.2
0 引言
雷电是一种自然现象，具有能量大、时间短、破坏能力强的特点 [1] ，极易通过窜入、感应方式造成过电压，并伴随过电流（雷击），使电力电网中相关电力/电子设备的电子元件/电路遭受能量冲击而发生损坏。雷击产生的浪涌过电压到达电力/电子设备端口时，输入电压可能高达几千伏甚至数十千伏。高压持续时间一般是微秒级别甚至毫秒级 [2] ，会对设备内部的各种电子元件产生十分严重的损坏。在设备供电输入端合理的设计和安装具有高可靠性的电涌保护器（SPD）是减少雷击损失的重要方式之一。SPD 把已进入电力线、信号传输线的雷击电流进行泄放 [3] ，通过将高电压限制在一定的范围内（残压）的方式，可以最大限度地保护各种电力/电子设备不被雷击损坏。
随着经济发展，大功率、高电压、低损耗 [4] 成为电力电子设备的主要发展方向，用户对电力/电子设备的安全、可靠性需求越来越强烈，端口工作电压持续提升成为趋势。且随着设备小型化，能量高密化趋势，设备内对应电子元件/电路/模块的绝缘耐受值会持续下降。所以研究高工作电压、大量级冲击电压下的低残压以及超大量级冲击电流耐受、高可靠性 SPD，是过电压保护领域非常紧迫、关键的重点难点问题。
1 创新 BXD 器件背景介绍
MOV 和 GDT 是过电压防护常使用的元器件。GDT 是防雷应用中最为广泛的一种电压开关型元件，无论是交流、直流电源还是各种信号电路的防雷，都可使用其将雷电流泄放入大地。其中，GDT 因其寄生电容小、漏电流小、通流量大，被广泛应用于电源口共模的浪涌防护 [5] ，尤其对于 AC 电源端口、漏电要求极高的场景，GDT 的应用发挥着重要作用，但因其存在续流问题所以要串联 MOV 使用，GDT 与MOV 的串联组合成为复合型 SPD 是一种主流 设计。
MOV 与 GDT 串联组成的复合型 SPD 工作电压耐受能力、以及残压尖峰值主要受 GDT 的电气性能影响 [6] ，即 GDT 的残压尖峰越低，复合型 SPD 的残压尖峰也越低。而使用高电压GDT 的复合型 SPD 会出现残压尖峰过高的问题，但如果使用低电压的 GDT 来降低残压尖峰的话，复合型 SPD 的工作电压会明显下降。所以如何提升 GDT 的工作耐压并降低浪涌测试时的残压，成为业界一直在致力攻破的难题。
1.1 BXD 设计原理
一般为了提高 GDT 工作电压耐受，其直流击穿电压往往需要高于所处场景/位置/线路上的工作电压最大值的 1.2~1.5 倍，进而 GDT的冲击动作击穿电压（因为响应延时问题）会比工作电压最大值高，从而产生更高的残压峰值。所以提升工作电压和降低残压峰值对于普通 GDT 是矛盾的。
通过多个 GDT 串联并适当进行均压电路设计，可以实现以下效果 ：在DC 或 AC 工作时，由于多个 GDT 串联的作用，可以均分工作电压，使每个 GDT 所承受的电压降低，从而提高整体工作电压的耐受能力 ；利用工作电压和雷击浪涌电压的不同频谱/脉冲特性，让其在遭受雷击时多个串联 GDT 不均压，分批前后动作，有效降低雷击残压。
将基于这种创新思路的 GDT 命名为 BXD。BXD 的结构是由两个（或以上）相同（或相近的）气体间隙串联构成的 GDT，并在各个间隙上并联阻抗支路作为辅助电路，辅助电路具有很好的频率电压选择特性 [7] ，从而控制 BXD 在工作电压和雷击浪涌下产生不同的响应特性，通过将两个（或以上）间隙和辅助电路配合起来，代替使用单个直流击穿电压较大的 GDT。
辅助电路的频率选择特性使两个放电间隙可以很好地进行工作电压的串联均压，进而实现提高工作电压。同时，辅助电路可以让两个放电间隙在雷击浪涌条件下分压不均，其中一个放电间隙（S1）会先动作（击穿），之后 S1 的电压会很低，外加浪涌电压会施加到另外一个放电间隙（S2）上，促使 S2 动作，分批依次启动，从而实现低冲击击穿电压特性，进而可以有非常低的残压峰值。图 1 为 BXD 的动作示意原理图（第一个残压峰值为 S1 动作瞬间的残压，第二个残压峰值为 S2 动作/同时整个 BXD 完全击穿的残压）。
实现频率选择特性的辅助电路设计方法 ：每一个间隙并联一支阻抗电路。由于间隙的阻抗非常大，且远大于阻抗支路的阻抗，所以间隙的均压结果是由该阻抗支路电路决定的。同时该阻抗支路在低频工作电压和高频浪涌时，阻抗支路的阻抗是不同的，从而间隙的分压是不同的。通常高频浪涌冲击来临时，阻抗支路的阻抗差异会很大，而在直流或 50 Hz 工频交流的时候，阻抗支路的阻抗是相同或相近的，利用电容（或电感）在不同频率时的阻抗特性就可以实现该差异变化 。所以两支阻抗支路一般包括阻性元件和容性元件，或至少一种，阻性元件包括电阻，容性元件包括电容或带极间寄生电容的元件。图 2 为 BXD 的基本概念原理图。
1.2 BXD 仿真设计
基于上述 BXD 的基本原理和电气特性，利用 Multisim软件搭建 BXD 的浪涌测试仿真电路如图 4 所示。通过修改 Multisim 里面相同开关型器件的模型来仿真对应型号的GDT，修改调整开关型器件的直流击穿电压及组合波 6 kV 残压等数据来模拟并匹配实际应用的 GDT，使其可以模拟出 GDT 的开关和动作响应特性。
该 GDT 模型考虑到的主要参数有 ：
● 直流击穿电压（1 600 V）；
● 组合波 6 kV 残压（1 700 V）。
电路中，端口A、端口B代表BXD 的两极，D1、D2 代表 GDT。利用组合波发生器的内部电路模型，在仿真软件模 拟 组 合 波 形（1.2/50 μs~ 8/20 μs）。XSC1 的A通道测量的是1-3总电压情况，XSC2的A通道测量的是 2-3支路电压，B通道测量的是1-2 支路电压。
先模拟正常工作时的工作电压，再模拟雷击的残压。
（1）正常工作时 ：通过设置 50 Hz 工频交流对 BXD 电路模型进行测试，把工作电压设置到 2.04 kV 时，BXD 处于不导通状态（波形仍为工频交流波形），进一步提升工作电压，当电压提升到 2.05 kV 时，BXD 立刻处于导通状态（波形变为开关型器件的导通波形），即 BXD 工作电压的仿真近似值为 2.05 kV，导通变化波形如图 5、图 6所示。
（2）雷击测试时 ：组合发生器模拟出组合波输出到放电管的 A、B 两端，利用支路1-2、2-3 的阻抗分压的大小来控制 GDT 的导通和关断 ；因浪涌组合波属于高频信号（注 ：频率分析仅仅是原理性说明，实际浪涌不是简单单一频率的正弦波信号，而是一个宽频率的脉冲信号。通常这种情况用 RC 充电时间，时域求解更方便、准确。），当输入冲击电压 6 kV 时，大部分电压加在阻抗值大的支路上（支路 2-3）进而控制 D1 先导通（D1 的两端电压达到脉冲冲击电压 @ 持续时间，D1 由高阻抗状态变成低阻抗状态瞬间发生导通）。当 D1 导通后两端电压瞬间降低，大部分电压又快速的加在支路 1-2 上，控制 D2 的导通，将整个 BXD 的残压瞬间拉低，分压波形图如图 7 所示。通过搭建 BXD 的 浪涌测试仿真电路，模拟测试出在冲击电压 6 kV@1.2/50 μs 下的残压值为 2.77 kV，仿真残压波形图如图 8 所示。
由于 GDT 的阻抗和浪涌击穿特性、各种雷击的波形差异、阻抗支路的寄生参数、阻抗支路器件的工作电压和功率降额、以及雷击浪涌对阻抗支路充电特性差异较大，必须对这些元件参数充分了解后，才能构筑一个比较匹配和合适的 BXD ；通常建议将阻抗支路和 GDT 集成为一体化器件，才能更好的、充分的发挥BXD 的优势，同时具有小型化、可插件或可贴片兼容的优势，图9 为 BXD 的集成示意图。
1.3 BXD 测试结果与结论
利用组合波发生器和耐压测试仪可以有效验证 BXD 的电气性能，包括残压和工作电压。通过模拟雷击测试和工作电压测试，可以获取 BXD 在实际应用中的性能表现，并与理论值进行对比，验证 BXD 在提升工作电压和降低残压方面的优势。
模拟雷击测试中，可以使用组合波发生器产生不同雷击等级的波形，在 BXD 两端采集残压尖峰数据。雷击试验条件 ：雷击测试等级由4 kV 开始，步进 1 kV，至 8 kV 止 ；匹配阻抗 ：12 Ω。工作电压试验条件 ：直流和 50 Hz 工频交流 ；工作电压极限测试。
图 10 为 BXD 在 6 kV 雷击测试等级下的实测残压及通流波形图（红色曲线代表残压波形，黄色曲线代表电流波形）。 工作电压测试中，使用耐压测试仪对 BXD 进行交流和直流工作电压测试，记录交流和直流工作电压的极限值。 由此验证 BXD 电气性能理论值与实测值的一致性，具体数据见表 2。
通过分析数据，得出以下结论 ：
（1）BXD的工作电压 ：通过实际测试得到的工作电压与仿真结果基本相符，验证了 BXD能够在设计要求范围内工作。
（2）BXD的雷击防护性能 ：通过模拟雷击测试得到的残压数据与实际测试结果接近，表明 BXD 在不同雷击测试等级下具有较好的防护性能。
（3）对于后续其他的 BXD 系列设计，可以在仿真软件里进行各种设计和优化，最后通过实际测试进行验证确认，并减少实际测试的次数和成本。
2 复合型 SPD 数据分析与性能对比
在设计复合型 SPD 时，需要根据具体的工作环境和雷击条件选择合适的 GDT 和 MOV，并进行相应的电路设计和测试，以确保其有效地保护电路免受雷击的损害。
1.3 节测试条件下，通过对常规的 GDT（G1、G2）和创新 BXD（G3）与 MOV 串联组成的复合型 SPD 进行模拟雷击测试，得到不同雷击测试等级下的残压数据，并使用耐压仪测出其工作电压。图 11 为 GDT 与 MOV 串联的复合型 SPD 方案原理图，其中 MOV1、MOV2 均为同一规格的 MOV（同型号/同厂家），其规格为20D561K，压敏电压 U1 mA=560 V ；G1、G2 为相同尺寸不同规格的 GDT，G3 为 BXD，具体参数见表 3。
通过对比分析图 13 的残压尖峰变化趋势和表 4 的残压尖峰、工作电压数据，探究三种不同配置的复合型 SPD 的电气性能优劣势，得出以下结论 ：
（1）相比于使用常规 GDT 组成的复合型SPD，BXD 的创新复合型 SPD 因其具有创新的触发电路设计，能够有效降低复合型 SPD 的残压水平，保护电气系统免受过电压损害。
（2）BXD的 触 发 电 路 设 计 使 创 新 复 合 型SPD 能够在更高的工作电压范围内工作，能够保护更大范围的电气设备和系统，提高了电气系统的可靠性和稳定性。
（3）使用BXD 的创新复合型 SPD 兼具残压低、工作电压高的电气性能优势，能够有效解决业界在提升 GDT 的工作电压和降低浪涌测试时的残压方面面临的难题。
3 结语
SPD 在电力/电子设备的雷击防护中起到了至关重要的作用，具有良好性能和可靠性的SPD 在保护电力电子/用电设备的电源和抑制信号线路上的暂态过电压 [8] 时效果十分显著。
本文通过对三种不同规格 GDT 与 MOV 串联的复合型 SPD 进行研究，探究了 GDT 对复合型SPD 性能参数的影响。对于应用“多间隙串联并增加辅助触发电路”的创新思路设计出来的BXD 器件，可以有效解决 SPD 中的最大痛点——高工作电压，同时低残压的诉求。多组间隙串联可以有效地增大工作电压，同时对浪涌冲击测试下的整体残压的影响非常小。理论分析、实际测试和仿真相互比对确认，也非常一致（满足一定的工程误差要求），后续可以通过仿真软件和模型的优化（前提是录入选用 GDT 的实际动作和响应特性），在软件中进行 BXD 系列的设计。
对于高防雷量级、高共模工作电压诉求的AC 端口共模防雷场景，使用创新 BXD 的复合型 SPD 因其低残压的特性可以有效提升对后级电路的保护能力和避免后级元件/电路/模块发生损坏。在恶劣应用场景下电源设备、家电设备、新能源汽车充电桩设备等有广泛的应用前景。
参考文献
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自然界中的雷电不可能消失
人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止
技术进步带来的潜在威胁
只能靠技术的继续进步来解决