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使用非对称 TVS 二极管保护关键电路免受破坏性电压瞬变的损害

海阔天空的专栏 • 来源:Art Pini • 作者:Art Pini • 2025-10-02 15:24 • 次阅读
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作者: Art Pini

瞬态电压尖峰与浪涌对电子电路的影响程度不一,从令人烦恼的轻微故障,到导致电路元件损毁的灾难性后果皆有可能。此类瞬变现象的诱因多样,包括雷电、静电和感应放电等(图 1)。

图 1:瞬变可能由雷电、静电或感应放电等引起,会对未受保护的电子设备造成严重破坏。(图片来源:Littelfuse Inc.)

像这样的瞬变能够产生峰值电压在数百伏至数万伏不等、电流达千安级别的脉冲,持续时间从数百纳秒到数毫秒。

IC 和处理器的小型化以及供电电压的降低,使得它们对电瞬变现象更为敏感。对于由多个电子系统控制各个环节(包括发动机、转向、制动、空调和娱乐)的车辆来说尤其如此。

为了保护敏感电路,人们开发了多种设计策略,包括屏蔽布线、滤波器、消弧和钳位器件。屏蔽和滤波采用无源设计,而消弧和钳位保护则采用有源机制。火花隙、气体放电管和晶闸管等消弧器件将瞬变电流分流至地面以保护电路。当消弧器件处于活动状态时,受保护的设备不工作,但一旦瞬变消失,设备就能正常工作。

钳位器件包括金属氧化物压敏电阻 (MOV)、齐纳二极管和瞬态电压抑制 (TVS) 雪崩二极管,它们通过改变阻抗将受保护设备两端的电压保持为恒定。这些技术可以单独使用,也可以同时使用。TVS 二极管因其响应速度快、功率耗散大的特点而被广泛用作钳位器件。

瞬态电压抑制二极管

TVS 二极管是一种雪崩二极管,用作钳位器件,当施加的电压超过其雪崩击穿电压时会分流掉过多的电流,将电压保持或钳位在恒定电位。当施加的电压低于击穿值时,它就会自动复位。

TVS 二极管可用作单向器件,用于防止单极性的瞬变,也可用作双向器件,用于防止任一极性的瞬变(图 2)。双向器件可以是对称的,可钳位幅值相同的任一极性电压,也可以是不对称的,可根据瞬变的极性钳位到不同的电压电平。

图 2:三种 TVS 器件的电流-电压击穿特性及其原理图符号。(图片来源:Littelfuse Inc.)

单向 TVS 二极管的工作原理与简单二极管类似,正向偏置时导通,反向偏置时不导通,直到超过二极管的击穿电压 (V BR )。当施加的电压超过 VBR 时,二极管导通,将其两端的电压保持在钳位电压 (V C )。这种二极管可以耗散的最大功率为峰值脉冲电流 (I PP ) x V C 。

双向 TVS 二极管相当于背靠背的两个二极管。在任一方向都未超过击穿电压 (V BR ) 时,流过的只是小的反向漏电流 (I R )。这种操作是对称的,因为两种偏置条件下的击穿电压幅值相同。

非对称 TVS 二极管的作用类似于双向器件,但击穿电压(V~BR1 ~和 V BR2 )不同。

非对称 TVS 二极管

您可能想知道为什么需要非对称 TVS 二极管。这些元器件设计用于保护碳化硅 (SiC) MOSFET 上的栅极驱动器。由于 SiC 开关速度很快,这些驱动器容易因过压瞬变而损坏。下面我们来看看用于车载充电的 SiC MOSFET 或牵引逆变器(图 3)。

图 3:用于保护 SiC MOSFET 开关栅极驱动器的非对称 TPSMB1505CA TVS。(图片来源:Littelfuse Inc.)

非对称 [Littelfuse] [TPSMB1505CA] TVS 用于保护 MOSFET 的栅极驱动器。该栅极驱动器有两种状态;导通状态下栅极电压在 -5 至 10 V 之间,而关断状态下栅极电压低于 -10 V。TPSMB1505CA 的额定阴极 (K) 至阳极 (A) 击穿电压为 16.7 至 18.5 V,最大钳位电压为 24.4 V。此方向上的 Ipp 为 24.6 A,瞬态脉冲持续时间为 10 至 1000 ms。

TVS 的 A 至 K 击穿电压为 6.8 至 7.4 V,最大钳位电压为 11.5 V。此方向上的峰值脉冲电流为 60 A,瞬态脉冲持续时间同样为 10 至 1000 ms。值得注意的是,这仅通过单个元器件即可实现。若使用独立器件达成这种不对称工作模式,则需要多个元器件协同工作。

Littelfuse [TPSMB 非对称系列 TVS 二极管](图 4)包括两个附加元器件,二者具有不同的 K 至 A 击穿电压。[TPSMB1805CA] 提供 20.0 至 21.1 V 的 K 至 A 击穿电压范围,最大钳位电压为 29.2 V。额定 Ipp 为 20.6 A,脉冲持续时间为 10 至 1000 ms。A 至 K 击穿电压范围与 TPSMB1505CA 相同(6.8 至 7.4 V)。

图 4:TPSMB 非对称器件采用表面贴装 DO-214AA 封装,器件的 K 侧用一条刻线来表示。(图片来源:Littelfuse Inc.)

[TPSMB2005CA]K 至 A 击穿电压范围为 22.2 至 24.5 V,最大钳位电压为 32.4 V。在脉冲持续时间与其他二极管相同的情况下,额定 I~pp ~为 18.6 A。A 至 K 击穿电压范围与 TPSMB1505CA 相同。

所有三款 TVS 二极管的额定峰值脉冲功率均为 600 W,波形持续时间为 10 至 1000 ms,并且均符合汽车 AEC-Q101 标准。这些器件采用 DO-214AA 表面贴装封装,以优化电路板空间,并允许将二极管放置在靠近电路触点的位置,从而实现最佳保护。封装上的刻线表示为器件的 K 侧。

结语

[TPSMB 对称]和 TPSMB 非对称 TVS 系列非常适合保护敏感的电子电路,以免雷电和静电或感应放电引起的电压瞬变造成破坏。TPSMB 非对称器件尤其适合保护快速 SiC 开关的栅极驱动器,单个 TVS 元件即可同时保护导通和关断驱动电平。

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