瞬态过压分析

瞬态过压问题的本源

危害综述

以浪涌电压形式出现的电气瞬态现象一直存在于配电系统中，而在半导体器件应用之前，电气瞬态现象没被重视。

1961年，美国贝尔实验室首次研究了半导体在雷击中的易损性。[1]稍后的一篇报告尝试确定了特定的半导体在静电放电还没有造成潜在或灾难性损坏的情况下，能够吸收的能量的数值。[2]尽管已经有了这些早期的警告，但是直到20世纪70年代后期，业界才开始圆满地处理这个问题。

所有的电气和电子设备都可能被电压瞬态过程损坏。不同之处是在损坏发生之前，它们所能够吸收的能量大小。由于许多现代半导体器件，比如低压MOSFET以及集成电路(IC)，可能被只超过10伏(V)的电压波动损坏，因此它们在无保护环境中的存活性很差。

在许多情况下，随着半导体器件的演进，它们的耐用性下降了。生产更快更小的器件的趋势，以及MOSFET和砷化镓FET技术的广泛应用增加了易损性。高阻抗输入和小的结尺寸限制了这些器件吸收能量和传导大电流的能力。因此，需要使用专门用来应对这些危害的器件来保护这些脆弱的电子元件。

选择恰当的保护方法应当建立在对过压危害潜在来源进行仔细调查的基础之上。不同的应用和环境会带来不同的过压来源。这些来源可能是外来的，也可能是电路内部的。

雷电

在任何给定时刻，世界上都有1,800场雷雨正在发生，每秒大约有100次雷击。在美国，雷电每年会造成大约150人死亡和250人受伤。在雷电发生频率呈现平均水平的平坦地形上，每座300英尺高的建筑物平均每年会被击中一次。每座1,200英尺的建筑物，比如广播或者电视塔，每年会被击中20次，每次雷击通常会产生6亿伏的高压。

每个从云层到地面的闪电实际上包含了在60毫秒间隔内发生的3到5次独立的雷击，第一次雷击的峰值电流大约为2万安培，后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后，可能会有大约150安培的连续电流，持续时间达100毫秒。

经测量，这些雷击的上升时间大约为200纳秒或者更快。通过2万安培和200纳秒，不难计算得到dI/dt的值是每秒1011安培！如此大的数值意味着瞬态保护电流必须使用射频（RF）设计技术，特别是需要考虑导体的寄生电感和电容。

尽管这个峰值能量特别引人注目，但实际上是持续时间较长的电流携带了云层和地面之间传输的大部分电荷。

经过多次现场测量建立的典型雷电模型如图1所示。

图1 带有以及不带有持续电流情况下的典型雷电模型

根据很多条件的不同，在雷击中可能有也可能没有持续电流。严格的雷电模型也建立起来，它可以给出在非常靠近雷击的位置在最坏情况下的预期强度的读数。图2显示了这个模型。注意，在多个时间段内出现了持续电流，大大加剧了预期的损坏。严重的雷击很可能点燃易燃性材料。当然，被雷电直接击中是非常严重的事情而且很可能是不可恢复的。事实上，一定距离之外雷击的电场强度可能已经足够给半导体设备造成灾难性或者潜在损坏。试图保护设备不受附近雷击的损坏比指望逃过直接的雷击是更加现实际的冒险。

图2 严格的雷电模型

考虑到这一点，重要的是能够将感应电压定量表示为与雷击地点之间距离的函数。如图3所示，这些感应电压可以很高，这解释了为什么相对较远的闪电也会破坏设备。

图3 附近雷击引起的感应电压

掩埋电缆无法提供很好的保护，因为地球对雷电的辐射电场几乎是透明的。事实上，地下的电线比架空电缆更容易遭雷击。[3]

针对这些危害进行的防护是有线通信必须要做的事情。初级保护设备，比如炭块和气体放电管(GDT)，在历史上提供了一定程度的安全性。次级和板级保护成为包括晶闸管浪涌保护器件（TSPD）在内的多种半导体器件的研究领域。它们被用在连接到电话总局线卡或者调制解调器等设备的长距离线路的末端。TSPD保护器件和技术将在这份文档后面的章节中进行详细讨论。

电源电路中的负载转换

感应转换瞬态过程发生在电抗性负载（比如电动机、螺线管或者继电器线圈）被关闭的时候。快速消失的磁场在电抗性负载线圈的两端感生出了瞬态电压，这个电压可以表示为：

V=-L(dI/dt)

其中L是电感，以亨利(H)为单位，dI/dt是电流的变化率，单位是安培/秒。

这样的瞬态可能是由电源故障，开关的正常开启或者负载故障引起的。与这个瞬态有关的能量是电源中断时存储在电感中的能量，也就是：

ω = 1/2 Li2

其中ω是能量，单位是焦耳；I是电源中断时的瞬时电流，单位是安培。

例如，当油炉的点火系统被点燃，可能会在120 V的交流（Vac）供电线路中注入峰值为

1.4~

2.5千伏（kV）的瞬态电压。已经证实，这些线路上存在的瞬态电压可能会高达6 kV。在没有瞬态保护器件的地方，最大瞬态电压被线路的绝缘击穿限制在6 kV左右。

感应转换瞬态过程是半导体器件的隐形杀手，因为它们的发生通常没有外在的迹象。一个较生动的例子是，某大型电梯公司指出1,000 V的整流器在供电中断中失效。在另一个地区，较远地区的20马力（HP）水泵电机供电中断直接导致同一站点上的敏感监视设备失效。[4]

国际电工委员会（IEC）现正推广他们的IEC 61000-4-4规范。这个规范描述了感应转换瞬时电压威胁有50纳秒宽的尖峰，幅度从2 kV到4 kV，它们出现在300微秒宽的猝发脉冲之中。

除了这些具体的管理规范之外，还存在许多其他与应用相关的功能性测试。瞬态电压抑制器（TVS）元件供应商或许会完成其中的大部分测试。这些元件必须坚固耐用，因为危害是动态的而且通常是重复出现的。TVS保护器件和技术将在本文档的第2章中详细论述。

静电放电（ESD）

静电放电（ESD）是在许多半导体器件的生产、运输和处理的过程中普遍认识到的危害，特别是对于那些含有未受保护MOSFET的半导体器件，用于微波频段以及转换时间不超过2纳秒的超高速逻辑的半导体。为了应对这种威胁，大多数半导体惯常都装在由导电材料做成的容器内进行运送。这种技术实际上在器件引脚之间保持了一个共模电压，消除了所有的电压差。

除了各种货物付运预防措施之外，工人应当将电子装配线接地，使用具有接地功能的焊接烙铁，电离气体吹风机以及其他技术来防止大电压的形成以及对所处理的半导体可能出现的放电。设备的测试是另一个可能出现静电积累和放电的机会。

器件制造完成并投入正常工作之后，仍然可能发生ESD损坏。任何人在地毯上滑了一下并触碰到计算机键盘都有可能导致软件失效，更糟糕的是可能损坏计算机硬件。

ESD所涉及的电气波形是一个短暂的脉冲，上升时间大约1.0纳秒，持续时间为100到300微秒。天气晴朗时，峰值电压可以高达30 kV，但更常见的是0.5~5.0 kV。发生在手持工具尖端的放电的上升时间最快，而指端以及手掌边缘的放电要稍微慢一些。[5]

根据下面的公式，一个正常人的身体电容是150皮法(pF)，如果充电3微库仑(μC)，将产生20 kV的电压：

V=Q/C

其中V是电压，Q是电荷而C是电容。放电所释放的能量是：

ω = ½ CV2

其中ω是能量，以焦耳为单位；C是电容而V是电压。