Giới thiệu
在为电气系统指定浪涌保护方案时，工程师需在三种核心技术间做出根本性选择：金属氧化物压敏电阻（MOV）、气体放电管（GDT）和瞬态电压抑制（TVS）二极管。每种技术基于不同的物理原理呈现出独特的性能特征——MOV利用非线性陶瓷电阻特性，GDT依赖气体电离效应，TVS二极管则运用半导体雪崩击穿原理。.
选择过程并非寻找“最优”技术，而是根据应用需求匹配其根本性的性能权衡。在交流配电系统中表现出色的MOV，若用于高速数据线路可能导致灾难性故障；适用于电信接口的GDT若用于5V直流电源轨则完全错误；为板级I/O设计的理想TVS二极管，在暴露于雷击的户外电路中可能不堪重负。.
本文将从基本原理出发剖析每种技术，阐释其性能差异背后的物理机制，并在响应时间、钳位电压、能量耐受、电容特性、老化行为和成本等方面提供量化对比。无论您是设计配电系统 SPD, 、保护通信接口，还是协调多级保护方案，理解这些根本差异将帮助您选择真正具备保护功能的元件——而非仅仅满足采购清单要求。.
图0：三种浪涌保护技术的物理结构对比。左：MOV（金属氧化物压敏电阻）呈现标志性的蓝色氧化锌陶瓷圆盘与径向引线——物理尺寸随额定电压（圆盘厚度）和通流能力（圆盘直径）按比例变化。中：GDT（气体放电管）展示圆柱形密封玻璃/陶瓷外壳，内含惰性气体与电极——气密结构确保稳定的火花放电特性。右：TVS二极管展示从紧凑型贴片封装（0402、SOT-23）到较大通孔封装（DO-201、DO-218）等多种半导体封装形式——硅片尺寸决定脉冲功率额定值。这些显著的物理差异反映了根本不同的工作原理：陶瓷晶界结（MOV）、气体电离等离子体（GDT）和半导体雪崩击穿（TVS）。.
MOV（金属氧化物压敏电阻）：结构与工作原理
金属氧化物压敏电阻是一种陶瓷半导体器件，其电阻值随电压升高急剧下降。这种压敏特性使其如同自动电压钳位器——在浪涌期间大电流导通，在正常工作时几乎隐形。.
内部结构
MOV由氧化锌（ZnO）晶粒与微量铋、钴、锰等金属氧化物烧结而成。其奥秘在于晶界处：相邻ZnO晶粒间的每个边界都形成微观肖特基势垒——本质上是一对背靠背的微型二极管结。单个MOV圆盘包含数百万个此类微结，以复杂的三维串并联网络连接。.
器件的整体特性源于这种微观结构。圆盘厚度决定工作电压（串联晶界数量越多，额定电压越高）；圆盘直径决定通流能力（并联路径越多，浪涌电流耐受越强）。因此MOV数据手册会标注每毫米厚度的压敏电压值，而用于配电的高能MOV通常采用物理尺寸较大的块状或圆盘组件。.
Hành Nguyên Tắc
当电压低于压敏电压（Vᵥ）时，晶界结保持耗尽状态，器件仅吸收微安级漏电流。当浪涌电压超过Vᵥ时，结区通过量子隧穿和雪崩倍增效应击穿，电阻从兆欧级骤降至欧姆级，MOV将浪涌电流泄放至地。.
这种转变本质上是快速的——材料层面的响应可达亚纳秒级。标准目录MOV的响应时间低于25纳秒，主要受限于引线电感和封装结构，而非ZnO的物理特性。其电压-电流特性呈现高度非线性，通常用公式I = K·Vᵅ描述，非线性系数α范围为25至50（线性电阻的α=1）。.
关键参数与特性
能量耐受：MOV擅长吸收浪涌能量。制造商采用2毫秒矩形脉冲标定能量耐受能力，使用标准8/20微秒波形标定浪涌电流。用于配电的块状MOV单次事件可处理10,000至100,000安培浪涌电流。.
老化与退化：反复承受浪涌会导致累积性微观结构损伤。压敏电压逐渐降低，漏电流增加，钳位性能退化。严重过载可能击穿晶界，形成永久性导电路径。因此数据手册会规定重复浪涌的降额系数，关键装置应将MOV漏电流作为维护参数进行监测。.
Điển Hình Ứng Dụng：交流电源浪涌保护、配电盘、工业电机驱动器、重型设备以及任何需要高能量吸收和快速（纳秒级）响应的应用。.
图1：压敏电阻剖面图，展示嵌入陶瓷基体中的氧化锌（ZnO）晶粒及晶界（放大插图）。每个晶界形成一个微观肖特基势垒，构成数百万个串并联排列的微结。圆片的物理尺寸——厚度决定额定电压（串联晶界越多），直径决定通流能力（并联路径越多）——直接控制浪涌保护性能。.
GDT（气体放电管）：结构与工作原理
气体放电管采用根本不同的方法：它不是通过非线性电阻钳位电压，而是在电压超过阈值时形成临时短路。这种“撬棒”式动作通过电离气体而非固态材料来泄放浪涌电流。.
内部结构
GDT由两个或三个电极组成，密封在填充惰性气体（通常是氩、氖或氙的混合气体，压力低于大气压）的陶瓷或玻璃外壳内。电极间隙和气体成分决定击穿电压。气密密封至关重要——任何污染或压力变化都会改变击穿特性。.
三电极GDT常见于电信应用，可在单个元件中提供线间和线对地保护。双电极版本用于较简单的线对地配置。电极通常涂覆有降低击穿电压和稳定电弧形成的材料。.
Hành Nguyên Tắc
正常情况下，气体不导电，GDT呈现接近无穷大的阻抗（>10⁹ Ω）和极低的电容——通常低于2皮法。当瞬态电压超过火花放电电压时，电场使气体电离。自由电子加速并与气体原子碰撞，在雪崩过程中释放更多电子。在不到一微秒的时间内，电极间形成导电等离子体通道。.
一旦电离，GDT进入电弧模式。器件两端电压骤降至低电弧电压——通常为10-20伏，与初始击穿电压无关。此时器件近似短路，通过等离子体泄放浪涌电流。电弧持续存在直至电流降至“辉光-电弧转换电流”以下（通常为数十毫安）。.
这种撬棒行为带来关键设计考量：如果被保护电路能够提供高于辉光阈值的足够“续流”，即使在瞬态结束后，GDT也可能保持导通状态。这就是为什么交流电源上的GDT需要串联电阻或与上游断路器协调配合。在低阻抗直流电源中，续流锁定可能导致灾难性后果。.
关键参数与特性
浪涌电流能力：GDT可处理极高的浪涌电流——典型电信级器件额定值为10,000至20,000安培（8/20 µs波形），且具有多次耐受能力。这种高容量源于等离子体通道的分布式特性，而非局部固态结。.
电容：GDT的决定性优势在于其低于2 pF的电容，使其对高速信号透明。这就是它们在电信线路保护中占主导地位的原因：xDSL、有线宽带和千兆以太网无法承受压敏电阻或许多TVS器件的电容。.
Phản Ứng Thời Gian：GDT比固态器件响应慢。击穿通常发生在数百纳秒至几微秒内，具体取决于电压过冲（更高的dV/dt会加速电离）。对于敏感电子设备上的快速瞬变，GDT通常与更快的钳位器件配合使用，形成协调保护方案。.
稳定性与寿命：优质GDT表现出卓越的长期稳定性。ITU-T K.12和IEEE C62.31测试方法验证了数千次浪涌循环后的性能。UL认证的电信GDT在数十年的使用中表现出极小的参数漂移。.
Điển Hình Ứng Dụng：电信线路保护（xDSL、有线、光纤）、高速以太网接口、射频和天线输入，以及任何对线路负载要求极低且浪涌源阻抗足够高以防止续流锁定的应用。.
图2：气体放电管（GDT）结构和工作特性。左图显示内部结构：带有电极间隙和惰性气体填充（氩/氖）的气密封气体腔室。右图说明电离响应——当瞬态电压超过火花放电阈值时，气体电离形成导电等离子体通道，电压骤降至电弧模式（约10-20V），浪涌电流通过等离子体泄放直至电流降至辉光-电弧转换阈值以下。.
TVS二极管：结构与工作原理
Diode triệt tiêu điện áp thoáng qua là các thiết bị avalanche silicon được thiết kế đặc biệt để kẹp xung điện áp. Chúng kết hợp thời gian phản hồi nhanh nhất với điện áp kẹp thấp nhất hiện có trong các thành phần bảo vệ chống sét, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên để bảo vệ các mạch bán dẫn nhạy cảm.
内部结构
Diode TVS về cơ bản là một diode Zener chuyên dụng được tối ưu hóa cho công suất xung cao hơn là điều chỉnh điện áp. Die silicon có một tiếp giáp P-N được pha tạp nặng được thiết kế để đi vào trạng thái đánh thủng avalanche ở một điện áp chính xác. Diện tích die lớn hơn nhiều so với các bộ điều chỉnh Zener tương đương để xử lý dòng điện đỉnh của các sự kiện đột biến điện áp—hàng trăm ampe trong các xung dưới micro giây.
Hành Nguyên Tắc
Ở điện áp hoạt động bình thường, diode TVS hoạt động ở trạng thái phân cực ngược với dòng rò chỉ ở mức nanoampe. Khi một điện áp thoáng qua vượt quá điện áp đánh thủng ngược (V_BR), tiếp giáp silicon đi vào trạng thái nhân avalanche. Ion hóa do va chạm tạo ra một lượng lớn các cặp electron-lỗ trống và điện trở tiếp giáp giảm xuống. Thiết bị kẹp điện áp ở mức đánh thủng cộng với điện trở động nhân với dòng điện xung.
Vật lý là hoàn toàn trạng thái rắn, không có chuyển động cơ học, ion hóa khí hoặc thay đổi pha vật liệu. Điều này cho phép thời gian phản hồi trong phạm vi nano giây—dưới 1 ns đối với silicon trần, mặc dù điện cảm gói thường đẩy phản hồi hiệu quả lên 1-5 ns đối với các thiết bị thực tế. Đặc tính điện áp-dòng điện rất dốc (điện trở động thấp), cung cấp khả năng kẹp chặt chẽ.
关键参数与特性
Định Mức Công Suất Xung: Các nhà sản xuất TVS chỉ định dung lượng công suất bằng cách sử dụng độ rộng xung tiêu chuẩn (thường là dạng sóng mũ 10/1000 µs). Các dòng sản phẩm phổ biến cung cấp định mức xung 400W, 600W, 1500W hoặc 5000W. Khả năng dòng điện đỉnh được tính từ công suất xung và điện áp kẹp—một thiết bị 600W với điện áp kẹp 15V xử lý khoảng 40A đỉnh.
Hiệu Suất Kẹp: Diode TVS cung cấp điện áp kẹp thấp nhất so với bất kỳ công nghệ bảo vệ chống sét nào. Tỷ lệ điện áp kẹp trên điện áp chịu đựng (V_C/V_WM) thường là 1,3 đến 1,5, so với 2,0-2,5 đối với MOV. Khả năng kiểm soát chặt chẽ này rất quan trọng để bảo vệ logic 3,3V, USB 5V, mạch ô tô 12V và các tải nhạy cảm với điện áp khác.
电容: Điện dung TVS thay đổi rộng rãi theo cấu trúc thiết bị. Các diode TVS tiếp giáp tiêu chuẩn có thể hiển thị hàng trăm picofarad, gây tải cho các đường dữ liệu tốc độ cao. Các dòng TVS điện dung thấp được thiết kế cho HDMI, USB 3.0, Ethernet và RF sử dụng hình học tiếp giáp chuyên dụng và đạt được dưới 5 pF trên mỗi đường truyền.
Lão Hóa và Độ Tin Cậy: Không giống như MOV, diode TVS thể hiện sự trôi hiệu suất tối thiểu dưới ứng suất xung định mức. Tiếp giáp silicon không bị suy giảm tích lũy từ các xung lặp đi lặp lại trong định mức. Các chế độ hỏng hóc thường là hở mạch (tiêu hủy tiếp giáp) hoặc ngắn mạch (nóng chảy kim loại hóa), cả hai đều chỉ xảy ra dưới tình trạng quá tải cực độ vượt quá định mức.
Điển Hình Ứng Dụng: Bảo vệ mạch cấp bo mạch (cổng I/O, đường ray nguồn), giao diện USB và HDMI, điện tử ô tô, nguồn điện DC, đường dây dữ liệu truyền thông và bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu phản hồi nhanh và kẹp điện áp chặt chẽ cho tải bán dẫn.
Hình 3: Đường cong đặc tính điện áp-dòng điện (I-V) của diode TVS cho thấy hoạt động avalanche bán dẫn. Ở điện áp bình thường (vùng chịu đựng V_WM), thiết bị duy trì trở kháng cao với dòng rò nanoampe. Khi điện áp thoáng qua vượt quá điện áp đánh thủng ngược (V_BR), tiếp giáp P-N silicon đi vào trạng thái nhân avalanche—điện trở tiếp giáp giảm xuống và thiết bị kẹp điện áp ở V_C (điện áp đánh thủng cộng với điện trở động × dòng điện xung). Đường cong dốc (điện trở động thấp) cung cấp khả năng kiểm soát điện áp chặt chẽ, rất quan trọng để bảo vệ tải bán dẫn.
Kẹp so với Đoản Mạch: Hai Triết Lý Bảo Vệ
Sự khác biệt cơ bản giữa các công nghệ này nằm ở triết lý bảo vệ của chúng. MOV và diode TVS là thiết bị kẹp—chúng giới hạn điện áp ở một mức cụ thể tỷ lệ với dòng điện xung. GDT là thiết bị đoản mạch—chúng tạo ra một mạch ngắn làm giảm điện áp xuống mức dư thấp bất kể cường độ dòng điện.
Hành vi kẹp (MOV và TVS): Khi dòng điện xung tăng lên, điện áp kẹp tăng lên theo đường cong V-I phi tuyến tính của thiết bị. Một MOV định mức 275V RMS có thể kẹp ở 750V đối với xung 1 kA nhưng tăng lên 900V ở 5 kA. Một diode TVS định mức chịu đựng 15V có thể kẹp ở 24V đối với 10A nhưng đạt 26V ở 20A. Tải được bảo vệ thấy một điện áp được xác định bởi biên độ xung và đặc tính thiết bị.
Hành vi đoản mạch (GDT): Sau khi xảy ra đánh thủng, GDT đi vào chế độ hồ quang và điện áp giảm xuống 10-20V bất kể dòng điện xung là 100A hay 10.000A. Điều này cung cấp khả năng bảo vệ tuyệt vời sau khi được kích hoạt, nhưng tia lửa điện ban đầu có thể cho phép một gai điện áp trước khi quá trình ion hóa hoàn tất. Đây là lý do tại sao các tải nhạy cảm phía sau GDT thường cần một kẹp nhanh thứ cấp.
Mỗi triết lý phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Các thiết bị kẹp bảo vệ bằng cách giới hạn mức điện áp. Các thiết bị đoản mạch bảo vệ bằng cách chuyển hướng dòng điện. Kẹp hoạt động khi mạch được bảo vệ có thể chịu được điện áp kẹp. Đoản mạch hoạt động khi nguồn xung có trở kháng đủ cao để việc đoản mạch đường dây không làm hỏng thiết bị ngược dòng hoặc gây ra các vấn đề về dòng điện theo sau.
MOV so với GDT so với TVS: So Sánh Song Song
Bảng dưới đây định lượng các khác biệt chính về hiệu suất giữa ba công nghệ bảo vệ chống sét này:
| Tham số | MOV (Varistor Oxit Kim Loại) | GDT (Ống Phóng Điện Khí) | Điốt TVS |
| Hành Nguyên Tắc | Điện trở phi tuyến tính phụ thuộc điện áp (ranh giới hạt ZnO) | Đoản mạch ion hóa khí | Đánh thủng avalanche bán dẫn |
| Cơ chế bảo vệ | Kẹp | Đoản mạch | Kẹp |
| Phản Ứng Thời Gian | <25 ns (các bộ phận danh mục điển hình) | 100 ns – 1 µs (phụ thuộc điện áp) | 1-5 ns (giới hạn bởi gói) |
| Điện Áp Kẹp/Hồ Quang | 2,0-2,5 × MCOV | 10-20 V (chế độ hồ quang) | 1,3-1,5 × V_chịu đựng |
| Dòng Điện Xung (8/20 µs) | 400 A – 100 kA (phụ thuộc kích thước) | 5 kA – 20 kA (cấp viễn thông) | 10 A – 200 A (dòng 600W ~40A) |
| 能量耐受 | Tuyệt vời (100-1000 J) | Tuyệt vời (plasma phân tán) | Vừa phải (giới hạn bởi tiếp giáp) |
| 电容 | 50-5000 pF (phụ thuộc diện tích) | <2 pF | 5-500 pF (phụ thuộc cấu trúc) |
| Hành Vi Lão Hóa | Suy giảm theo chu kỳ xung; V_n trôi xuống | Ổn định qua hàng ngàn xung | Độ trôi tối thiểu trong định mức |
| Chế Độ Hỏng Hóc | Suy giảm → ngắn mạch hoặc hở mạch | Ngắn mạch (duy trì hồ quang) | Hở mạch hoặc ngắn mạch (chỉ gây ra thảm họa) |
| 后续电流风险 | 低 (自熄灭) | 高 (需要外部限制) | 无 (固态) |
| 典型电压范围 | 18V RMS – 1000V RMS | 75V – 5000V DC 击穿电压 | 3.3V – 600V 截止电压 |
| 成本 (相对) | 低 ($0.10 – $5) | 中低 ($0.50 – $10) | 中低 ($0.20 – $8) |
| Tiêu chuẩn | IEC 61643-11, UL 1449 | ITU-T K.12, IEEE C62.31 | IEC 61643-11, UL 1449 |
| Chính Các Ứng Dụng | 交流电源，配电，工业 | 电信线路，高速数据，天线 | 板级 I/O，直流电源，汽车 |
比较的主要结论
MOV 在能量处理、快速响应和电力浪涌成本之间提供了最佳平衡。它们在交流电源保护中占据主导地位，但会受到高频电路上的电容负载以及重复应力下的累积老化影响。.
GDT (气体放电管) 在线路负载最小化至关重要且浪涌电流能力必须最大化的情况下表现出色。其超低电容使其在电信和射频应用中不可替代，但较慢的响应和后续电流风险需要仔细的电路设计。.
TVS 二极管 (瞬态电压抑制器) 为敏感电子设备提供最快、最严格的钳位。它们是保护低于 50V 电压的半导体 I/O 的唯一实用选择，但有限的能量容量意味着它们无法处理 MOVs 和 GDTs 常规吸收的雷电级别浪涌。.
图 4：专业的比较图表，对比了 MOV（金属氧化物压敏电阻）和 TVS（瞬态电压抑制器）技术在关键规格方面的差异。MOV 具有更高的钳位电压比（2.0-2.5× MCOV），具有出色的能量吸收能力，适用于电力浪涌，而 TVS 二极管提供更严格的电压控制（1.3-1.5× 截止电压），具有更快的响应速度（<5 ns），适用于半导体保护。该表包括电压额定值、浪涌电流能力和典型的零件编号示例，展示了每种技术的互补性能范围。.
技术选择指南：何时使用每种技术
选择正确的浪涌保护技术取决于将设备特性与电路要求相匹配。这是一个决策框架：
在以下情况下使用 MOV：
- 电路电压为交流电源或高压直流（>50V）：MOV 的电压额定值范围为 18V RMS 至 1000V 以上，完美匹配住宅（120/240V）、商业（277/480V）和工业配电。.
- 浪涌能量很高：雷电引起的浪涌、公用设施切换瞬变和电机启动会产生只有 MOV 才能经济地吸收的能量水平（数百到数千焦耳）。.
- 响应时间 <25 ns 是可接受的：大多数电力电子设备和工业设备都能容忍 MOV 的响应速度。.
- 电容负载是可以接受的：在电源频率（50/60 Hz）下，即使 1000 pF 的电容也可以忽略不计。.
- 成本受到限制：MOV 提供每焦耳保护的最低成本。.
在以下情况下避免使用 MOV： 保护高速通信线路（电容负载）、低压半导体电路（钳位电压过高）或需要保证数十年内无漂移性能的应用（老化问题）。.
在以下情况下使用 GDT：
- 线路负载必须最小（<2 pF）：xDSL 调制解调器、有线宽带、千兆以太网、射频接收器和天线输入无法容忍 MOV 或标准 TVS 设备的电容。.
- 浪涌电流能力必须最大化：电信中心局、蜂窝塔和室外装置面临重复的高振幅雷电浪涌，这些浪涌超过了 TVS 的额定值。.
- 受保护的电路具有高源阻抗：电话线（600Ω）、天线馈线（50-75Ω）和数据电缆可以安全地被短路，而不会产生过多的后续电流。.
- 工作电压很高（>100V）：GDT 的击穿电压范围为 75V 至 5000V，涵盖电信电压、PoE（以太网供电）和高压信号。.
在以下情况下避免使用 GDT： 保护低阻抗直流电源（后续电流风险）、需要最快响应的电路（<100 ns 至关重要）或无法容忍初始击穿尖峰的电压敏感负载（需要二次钳位）。.
在以下情况下使用 TVS 二极管：
- 钳位电压必须受到严格控制：3.3V 逻辑、5V USB、12V 汽车电路和其他半导体负载需要在标称电压的 20-30% 范围内进行钳位——只有 TVS 二极管才能实现这一点。.
- 响应时间必须最快（<5 ns）：保护高速处理器、FPGA 和敏感模拟电路需要纳秒级响应。.
- 电路电压为低到中等（<100V）：TVS 系列涵盖从 3.3V 数据线到 48V 电信电源的所有内容。.
- 不能容忍老化/漂移：医疗设备、航空航天和安全关键系统需要在产品寿命内提供可预测的、稳定的保护。.
- 板空间有限：0402 或 SOT-23 封装中的 SMT TVS 设备适合 MOV 和 GDT 无法安装的地方。.
在以下情况下避免使用 TVS 二极管： 浪涌能量超过脉冲功率额定值（典型的 600W 设备仅吸收约 1 焦耳），浪涌电流超过峰值额定值（在 15V 时，600W 的典型值为 40A），或者在多线路系统中每个通道的成本变得过高。.
Ma trận quyết định
| Ứng dụng | Công nghệ chính | Cơ sở lý luận |
| Bảo vệ bảng điện AC | MOV (SPD Loại 1/2) | Năng lượng cao, 120-480V, hiệu quả chi phí |
| Giao diện đường dây viễn thông | GDT + TVS (phân tầng) | GDT hấp thụ năng lượng, TVS kẹp điện áp dư |
| Đường truyền dữ liệu USB 2.0 / 3.0 | TVS điện dung thấp | Cạnh xung nhanh, nguồn 5V, yêu cầu <5 pF |
| Ethernet (10/100/1000 Base-T) | GDT (chính) + TVS điện dung thấp | Tải tối thiểu, khả năng chịu xung cao |
| I/O công nghiệp 24V DC | TVS | Kẹp chặt, phản hồi nhanh, không lão hóa |
| Đầu vào DC năng lượng mặt trời PV | MOV (định mức DC) | Điện áp cao (600-1000V), năng lượng cao |
| Mạch 12V ô tô | TVS | Bảo vệ chống quá tải, kẹp chặt ở 24-36V |
| Đầu vào ăng-ten RF | Bệnh GDT | Dưới 2 pF, khả năng xử lý công suất cao |
| Đường ray nguồn 3.3V FPGA | TVS (điện dung thấp) | Kẹp 6-8V, phản hồi <1 ns là rất quan trọng |
Ma trận này là một điểm khởi đầu. Các cài đặt phức tạp thường kết hợp các công nghệ trong các sơ đồ bảo vệ phân lớp, tận dụng các điểm mạnh của từng giai đoạn.
Hình 5: Sơ đồ kiến trúc bảo vệ chống xung điện ba giai đoạn chuyên nghiệp minh họa chiến lược bảo vệ phối hợp. Giai đoạn 1 (Chính): SPD MOV Loại 1 tại đầu vào dịch vụ xử lý năng lượng xung cực lớn (40-100 kA) và kẹp điện áp từ 10+ kV xuống ~600V. Giai đoạn 2 (Thứ cấp): Ống phóng điện khí (GDT) chuyển hướng các quá độ điện áp cao dư và giảm điện áp xuống ~30V thông qua hoạt động ở chế độ hồ quang. Giai đoạn 3 (Cuối cùng): Diode TVS cung cấp khả năng kẹp chặt (<1,5 lần điện áp chịu đựng) với phản hồi nano giây để bảo vệ các tải bán dẫn nhạy cảm. Mỗi giai đoạn có nối đất và phối hợp điện áp thích hợp để đảm bảo các thiết bị thượng nguồn kích hoạt trước các thành phần hạ nguồn, tạo ra các điểm “bàn giao” rõ ràng để phân phối năng lượng xung điện trên toàn bộ tầng bảo vệ. Cách tiếp cận phân lớp này tận dụng các điểm mạnh bổ sung của các công nghệ MOV (năng lượng cao), GDT (điện dung thấp) và TVS (kẹp chặt).
Bảo vệ phân lớp: Kết hợp các công nghệ
Các kiến trúc bảo vệ chống xung điện mạnh mẽ nhất không dựa vào một công nghệ duy nhất. Thay vào đó, chúng phối hợp nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn được tối ưu hóa cho một phần khác nhau của phổ nguy cơ. Cách tiếp cận “phòng thủ chiều sâu” này tận dụng các điểm mạnh bổ sung của các công nghệ MOV, GDT và TVS.
Tại sao cần bảo vệ phân lớp?
Phân phối năng lượng: Một diode TVS duy nhất không thể hấp thụ xung sét 10 kA, nhưng một GDT ở thượng nguồn có thể chuyển hướng 99% năng lượng đó, để TVS kẹp điện áp dư. Mỗi giai đoạn xử lý những gì nó làm tốt nhất.
Tối ưu hóa tốc độ: GDT mất hàng trăm nano giây để ion hóa. Trong thời gian đó, một TVS nhanh ở hạ nguồn có thể kẹp xung ban đầu, ngăn ngừa thiệt hại cho các tải nhạy cảm. Khi GDT kích hoạt, nó sẽ đảm nhận việc chuyển hướng dòng điện lớn.
Phối hợp điện áp: Thiết bị thượng nguồn phải đánh thủng trước thiết bị hạ nguồn. Lựa chọn thích hợp đảm bảo giai đoạn đầu tiên dẫn điện ở, chẳng hạn, 600V, giới hạn những gì đến giai đoạn thứ hai (định mức 150V), từ đó bảo vệ tải cuối cùng (định mức 50V).
Các kiến trúc phân lớp phổ biến
Giao diện viễn thông (GDT + TVS):
- Giai đoạn chính: GDT tại ranh giới giao diện xử lý các cuộc tấn công trực tiếp của sét và các sự cố nguồn điện áp cao (xung 2-10 kV, lên đến 20 kA).
- Giai đoạn thứ cấp: Diode TVS điện dung thấp kẹp các quá độ dư đến mức an toàn cho IC bộ thu phát (<30V).
- Phối hợp: GDT đánh lửa ở 400V, TVS đánh thủng ở 15V, định mức tối đa của bộ thu phát là 12V. TVS bảo vệ trong thời gian trễ ion hóa của GDT; khi GDT kích hoạt, nó sẽ đảm nhận nhiệm vụ dòng điện lớn.
Ethernet PoE (GDT + TVS + Cuộn cảm):
- Chính: GDT chuyển hướng các xung sét từ đường dây xuống đất.
- Cuộn cảm nối tiếp: Làm chậm thời gian tăng xung (dV/dt), cho GDT thời gian để ion hóa và giới hạn dòng điện vào các giai đoạn hạ nguồn.
- Thứ cấp: Diode TVS trên mỗi cặp vi sai kẹp các quá độ chế độ chung và chế độ vi sai để bảo vệ Ethernet PHY (tối đa ±8V).
Bảng điện AC công nghiệp (MOV chính + MOV thứ cấp):
- Lối vào dịch vụ: MOV Loại 1 định mức 40-100 kA xử lý sét trực tiếp (điện áp 1,2/50 µs, dạng sóng dòng điện 10/350 µs theo IEC 61643-11).
- Bảng phân phối: MOV Loại 2 định mức 20-40 kA kẹp các xung dư truyền qua hệ thống dây điện của tòa nhà.
- Thiết bị tải: SPD Loại 3 hoặc TVS cấp bo mạch cung cấp bảo vệ điểm sử dụng cuối cùng.
Hệ thống năng lượng mặt trời PV (MOV DC + TVS):
- Hộp nối mảng: MOV định mức DC (600-1000V) trên đầu ra chuỗi PV xử lý các xung do sét gây ra.
- Đầu vào biến tần: Diode TVS bảo vệ bộ chuyển đổi DC-DC và các chất bán dẫn bộ điều khiển MPPT, kẹp ở các mức mà silicon có thể chịu được.
Để phối hợp thành công, điều quan trọng là chọn điện áp đánh thủng tạo ra các điểm “chuyển giao” rõ ràng và xác minh rằng năng lượng thông qua từ giai đoạn này vẫn nằm trong định mức của giai đoạn tiếp theo. Các nhà sản xuất hệ thống SPD hoàn chỉnh (như VIOX) thường công bố các cụm lắp ráp đã được kiểm tra, phối hợp, giúp loại bỏ sự phức tạp trong thiết kế này.
Kết luận
Việc lựa chọn các thành phần bảo vệ chống sét không phải là tìm kiếm công nghệ “tốt nhất” mà là kết hợp vật lý với các yêu cầu. MOVs tận dụng gốm oxit kẽm để hấp thụ năng lượng cao ở điện áp nguồn. GDT khai thác quá trình ion hóa khí để đạt được tải đường dây tối thiểu với khả năng dòng điện tối đa. Diode TVS khai thác thác tuyết lở bán dẫn để kẹp nhanh nhất và chặt chẽ nhất các thiết bị điện tử nhạy cảm.
Mỗi công nghệ đại diện cho một sự đánh đổi cơ bản:
- MOVs đánh đổi điện áp kẹp cao hơn và sự lão hóa để có khả năng xử lý năng lượng và chi phí tuyệt vời.
- GDT đánh đổi phản hồi chậm hơn và nguy cơ dòng điện theo sau để có điện dung cực thấp và độ bền xung.
- Diode TVS đánh đổi dung lượng năng lượng hạn chế để có phản hồi nhanh nhất và kiểm soát điện áp chặt chẽ nhất.
Hiểu được những sự đánh đổi này—bắt nguồn từ các nguyên tắc hoạt động mà chúng ta đã xem xét—cho phép bạn chỉ định khả năng bảo vệ thực sự hoạt động trong ứng dụng của mình. Một MOV 600V trên đường dữ liệu 5V sẽ không bảo vệ được. Một diode TVS 40A đối mặt với xung sét 10 kA sẽ hỏng thảm hại. Một GDT trên nguồn điện DC trở kháng thấp có thể khóa vào dẫn điện dòng điện theo sau gây phá hủy.
Đối với các cài đặt phức tạp, bảo vệ nhiều lớp phối hợp nhiều công nghệ, định vị từng công nghệ ở nơi nó hoạt động tốt nhất. GDT hấp thụ năng lượng lớn, MOV xử lý các xung điện ở mức công suất và TVS cung cấp khả năng kẹp giai đoạn cuối cho tải bán dẫn.
Cho dù bạn đang thiết kế SPD phân phối điện được định mức 100 kA theo IEC 61643-11, bảo vệ giao diện Gigabit Ethernet với tải dưới 2 pF hay bảo vệ I/O FPGA 3,3V, thì khuôn khổ quyết định vẫn giống nhau: kết hợp vật lý thiết bị với các yêu cầu của mạch, xác minh định mức so với dạng sóng đe dọa và phối hợp các giai đoạn khi một công nghệ duy nhất không thể bao phủ toàn bộ phổ.
Giới thiệu về VIOX Electric: Là nhà sản xuất hàng đầu về thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền, VIOX cung cấp các giải pháp MOV, GDT và TVS toàn diện cho các ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp. Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi cung cấp hỗ trợ ứng dụng cho các hệ thống bảo vệ phối hợp. Truy cập www.viox.com hoặc liên hệ với đội ngũ bán hàng kỹ thuật của chúng tôi để được hỗ trợ về thông số kỹ thuật.
