原创 瞬态电压抑制二极管

概述
    电压及电流的瞬态干扰是造成电子电路及设备损坏的主要原因，常给人们带来无法估量的损失。这些干扰通常来自于电力设备的起停操作、交流电网的不稳定、雷击干扰及静电放电等,瞬态干扰几乎无处不在、无时不有,使人感到防不胜防。幸好,一种高效能的电路保护器件TVS的出现使瞬态干扰得到了有效抑制TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR） 或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异,当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1*１0-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

TVS的特性及其参数（参数表见附表）



1.TVS的特性
如果用图示仪观察TVS的特性，就可得到图1中左图所示的波形。如果单就这个曲线 来看,TVS管和普通稳压管的击穿特性没有什么区别，为典型的PN结雪崩器件。但这条曲线只反映了TVS特性的一个部分，还必须补充右图所示的特性曲线，才能反映TVS的全部特性。这是在双踪示波器上观察到的TVS管承受大电流冲击时的电流及电压波形。图中曲线1是TVS管中的电流波形，它表示流过TVS管的电流由1mA突然上升到峰值，然后按指数规律下降，造成这种电流冲击的原因可能是雷击、过压等。曲线2是TVS管两端电压的波形，它表示TVS中的电流突然上升时，TVS两端电压也随之上升，但最大只上升到VC值，这个值比击穿电压VBR略大，从而对后面的电路元件起到保护作用。

2、TVS的参数

   TVS在电路中和稳压管一样，是反向使用的，图2所示为单向TVS的工作曲线图。
各参数说明如下：



A.击穿电压（VBR）：TVS在此时阻抗骤然降低，处于雪崩击穿状态。
B.测试电流（IT）：TVS的击穿电压VBR在此电流下测量而得。一般情况下IT取１MA。
C.反向变位电压（VRWM）：TVS的最大额定直流工作电压,当TVS两端电压继续上升，TVS将处于高阻状态。此参数也可被认为是所保护电路的工作电压。
D.最大反向漏电流（IR）：在工作电压下测得的流过TVS的最大电流。
E.最大峰值脉冲电流（IPP）：TVS允许流过的最大浪涌电流，它反映了TVS的浪涌抑制能力。
F.最大箝位电压（VC）：当TVS管承受瞬态高能量冲击时，管子中流过大电流，峰值为IPP，端电压由VRWM值上升到VC值就不再上升了，从而实现了保护作用。浪涌过后，随时间IPP以指数形式衰减，当衰减到一定值后，TVS两端电压由VC开始下降,恢复原来状态。最大箝位电压VC与击穿电压VBR之比称箝位因子Cf，表示为Cf= VC /VBR，一般箝位因子仅为1.2～1.4。
G.峰值脉冲功率(PP)：PP按峰值脉冲功率的不同TVS分为四种，有500Ｗ、600Ｗ、1500Ｗ和5000Ｗ。

    最大峰值脉冲功率：最大峰值脉冲功率为：PN=VC·IPP。显然，最大峰值脉冲功率愈大,TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP愈大；另一方面，额定峰值脉冲功率PP确定以后，所TVS能承受的峰值脉冲电流IPP，随着最大箝位电压VC的降低而增加。TVS最大允许脉冲功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外，还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。
    对于几种不同的脉冲波形PN=K·VC·IPP,其中K为功率因数，图3给出了几种典型脉冲波形的K值。





     图4所示为最大允许脉冲功率和脉冲时间的关系曲线。图中描绘了500W和1.5KW系列TVS的最大允许脉冲功率随脉冲持续时间增加的降额曲线,典型的脉冲时间为1ms。500W和1.5KW即为脉冲持续时间为1ms时的最大允许脉冲功率。

   图5所示为最大允许脉冲功率随环境温度增高的降额曲线，曲线表明，环境温度超过25℃,最大允许脉冲功率呈线性下降：在150℃时，脉冲功率为零。

   TVS所能承受的瞬时脉冲峰值可达数百安培，其箝位响应时间仅为1*10-12 秒；TVS所允许的正向浪涌电流,在25℃,1/120秒的条件下,也可达50-200安培。一般地说,TVS所能承受的瞬时脉冲是不重复的脉冲。而实际应用中，电路里可能出现重复性脉冲。

    TVS器件规定,脉冲重复率比(脉冲持续时间和间歇时间之比)为0.01%。如不符合这一条件，脉冲功率的积累有可能使TVS烧毁。电路设计人员应注意这一点。TVS的工作是可靠的，即使长期承受不重复性大脉冲的高能量的冲击，也不会出现"老化"问题。试验证明，TVS安全工作于10000次脉冲后,其最大允许脉冲功率仍为原值的80％以上。
TVS的分类
       TVS管按功率分类，可分为500W、600W、1500W及5000W。也可按极性分类。按极性分为单极性及双极性两种。双极性尾标中缀以C。按TVS管VBR的值对标称值的离,散程度,可以把TVS分为两类，即离散程度为±5%和±10%的，离散程度为±5%的,型号中尾标缀以A，如SA5.0 CA。

TVS的应用
   TVS主要用于对电路元件进行快速过电压保护。它能"吸收"功率高达数千瓦的浪涌信号。TVS具有体积小、功率大、响应快、无噪声、价格低等诸多优点,它的应用十分广泛，如:家用电器；电子仪器；仪表；精密设备；计算机系统；通讯设备;RS232、485及 CAN等通讯端口；ISDN的保护；I/O端口；IC电路保护；音、视频输入；交、直流电源；电机、继电器噪声的抑制等各个领域。它可以有效地对雷电、负载开关等人为操作错误引起的过电压冲击起保护作用，下面是几个TVS在电路应用中的典型例子。

    TVS用于交流电路：见图６，这是一个双向TVS在交流电路中的应用,可以保护整流桥及负载中所有的元器件。图7所示为用单向TVS并联于整流管旁侧以保护整流管不被瞬时脉冲击穿。图8中TVS1是一只双向TVS管，它正负两个方向均可"吸收"瞬时大脉冲,把电路电压箝制到预定水平。这类双向TVS用于交流电路是极方便的。它可以保护变压器以后的所有电路元件。由于加上TVS1,电路保险丝容量要加大。TVS2也是一只双向 TVS管，它可以对桥式整流器及以后的电路元件实行过电压保护。它的Vb值及VC值应与变压器副边输出电压相适应。TVS3是一只单向TVS管，因为加在它上面的电压是已整 流后的流电直压,TVS3 只保护负载不受过电压冲击，电路中可以根据需要使用三个TVS 管中的一只或几只。





TVS和其它浪涌保护元件的比较
    现在国内不少需要进行浪涌保护的设备上使用的是压敏电阻，TVS与压敏电阻这种金

属氧化物变阻器相比具有极其优越的性能。下面列表进行比较。

关键参数或极限值             TVS                     电阻器
反应速度                     １０-12 秒            50*10E－９秒
是否会老化                        否                          是
最高使用温度                    175                         115
元件极性                     单极性与双极性            单极性
反向漏电典型值                  5uA                     200 uA
箝位因子（VC/BV）               ≯1.5            最大可达7-8
封装性质                         密封不透气                     透气
价格                                   贵                            便宜

TVS的选用
    选用TVS的步骤如下：
  1.确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应计算出最大值，即用有效值*1.414。
  2.TVS的反向变位电压即工作电压（VRWM）--选择TVS的VRWM等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计,如果步骤1所规定的电压高于TVS的VRWM ,TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态，从而影响电路的工作。
  3.最大峰值脉冲功率：确定电路的干扰脉冲情况,根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间,确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。
  4.所选TVS的最大箝位电压（VC）应低于被保护电路所允许的最大承受电压。
  5.单极性还是双极性-常常会出现这样的误解即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲，其实并非如此。双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号，那麽单向TVS就足够了。TVS操作方式如下：正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路里情况就不是这样了。应选用双向TVS以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。
  6.如果知道比较准确的浪涌电流IPP，那么可以利用VC来确定其功率，如果无法确定功率的概范围，一般来说，选择功率大一些比较好。

快恢复二极管(FRD)、超快恢复二极管（SRD）     快恢复二极管FRD（Fast Recovery Diode）是近年来问世的新型半导体器件，具有开关特性好，反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装简便等优点。超快恢复二极管SRD（Superfast Recovery Diode），则是在快恢复二极管基础上发展而成的，其反向恢复时间trr值已接近于肖特基二极管的指标。它们可广泛用于开关电源、脉宽调制器（PWM）、不间断电源（UPS）、交流电动机变频调速（VVVF）、高频加热等装置中，作高频、大电流的续流二极管或整流管，是极有发展前途的电力、电子半导体器件。 1．性能特点 （1）反向恢复时间   反向恢复时间tr的定义是：电流通过零点由正向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。反向恢复电流的波形如图1所示。IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流。Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1IRM。当t≤t0时，正向电流I=IF。当t＞t0时，由于整流器件上的正向电压突然变成反向电压，因此正向电流迅速降低，在t=t1时刻，I=0。然后整流器件上流过反向电流IR，并且IR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。 （2）快恢复、超快恢复二极管的结构特点   快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中间增加了基区I，构成P-I-N硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了trr值，还降低了瞬态正向压降，使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向压降约为0.6V，正向电流是几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极管的反向恢复电荷进一步减小，使其trr可低至几十纳秒。   20A以下的快恢复及超快恢复二极管大多采用TO-220封装形式。从内部结构看，可分成单管、对管（亦称双管）两种。对管内部包含两只快恢复二极管，根据两只二极管接法的不同，又有共阴对管、共阳对管之分。图2(a)是C 20-04型快恢复二极管（单管）的外形及内部结构。(b)图和(c)图分别是C92-02型（共阴对管）、MUR1680A型（共阳对管）超快恢复二极管的外形与构造。它们均采用TO-220塑料封装，主要技术指标见表1。   几十安的快恢复二极管一般采用TO-3P金属壳封装。更大容量（几百安～几千安）的管子则采用螺栓型或平板型封装形式。   2．检测方法    （1）测量反向恢复时间 测量电路如图3。由直流电流源供规定的IF，脉冲发生器经过隔直电容器C加脉冲信号，利用电子示波器观察到的trr值，即是从I=0的时刻到IR=Irr时刻所经历的时间。 设器件内部的反向恢电荷为Qrr，有关系式            trr≈2Qrr/IRM                          (5.3.1) 由式(5.3.1)可知，当IRM 为一定时，反向恢复电荷愈小，反向恢复时间就愈短。    （2）常规检测方法 在业余条件下，利用万用表能检测快恢复、超快恢复二极管的单向导电性，以及内部有无开路、短路故障，并能测出正向导通压降。若配以兆欧表，还能测量反向击穿电压。 实例：测量一只C90-02超快恢复二极管，其主要参数为：trr=35ns，Id=5A，IFSM=50A，VRM=700V。外型同图(a)。将500型万用表拨至R×1档，读出正向电阻为6.4Ω，n′=19.5格；反向电阻则为无穷大。进一步求得VF=0.03V/格×19.5=0.585V。证明管子是好的。 注意事项： （1）有些单管，共三个引脚，中间的为空脚，一般在出厂时剪掉，但也有不剪的。 （2）若对管中有一只管子损坏，则可作为单管使用。 （3）测正向导通压降时，必须使用R×1档。若用R×1k档，因测试电流太小，远低于管子的正常工作电流，故测出的VF值将明显偏低。在上面例子中，如果选择R×1k档测量，正向电阻就等于2.2kΩ，此时n′=9格。由此计算出的VF值仅0.27V，远低于正常值(0.6V)。