详解雷击浪涌的防护（附实例说明）（上）

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eefishing 发布时间：2020-2-4 22:28

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1、电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准
电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5 ）。标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况：
  （1）雷电击中外部线路，有大量电流流入外部线路或接地电阻，因而产生的干扰电压。
  （2）间接雷击（如云层间或云层内的雷击）在外部线路上感应出电压和电流。
  （3）雷电击中线路邻近物体，在其周围建立的强大电磁场，在外部线路上感应出电压。
  （4）雷电击中邻近地面，地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。

标准除了模拟雷击外，还模拟变电所等场合，因开关动作而引进的干扰（开关切换时引起电压瞬变），如：

  （1）主电源系统切换时产生的干扰（如电容器组的切换）。
  （2）同一电网，在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰。
  （3）切换伴有谐振线路的晶闸管设备。
  （4）各种系统性的故障，如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。

标准描述了两种不同的波形发生器：一种是雷击在电源线上感应生产的波形；另一种是在通信线路上感应产生的波形。

这两种线路都属于空架线，但线路的阻抗各不相同：在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些，但前沿要缓一些。后面我们主要以雷击在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析，同时也对通信线路的防雷技术进行简单介绍。

2、模拟雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理

上图是模拟雷电击到配电设备时，在输电线路中感应产生的浪涌电压，或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。

图中Cs是储能电容（大约为10uF，相当于雷云电容）；Us为高压电源；Rc为充电电阻；Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻）；Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。

雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品标准要求不同，稍有改动。

基本参数要求：
（1）开路输出电压：0.5～6kV，分5等级输出，最后一级由用户与制造商协商确定；
（2）短路输出电流：0.25～2kA，供不同等级试验用;
（3）内阻：2 欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，供其它不同等级试验用；
（4）浪涌输出极性：正/负；浪涌输出与电源同步时，移相0～360度；
（5）重复频率：至少每分钟一次。

雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级:

1级：较好保护的环境；
2级：有一定保护的环境；
3级：普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求，如工业性的工作场所；
4级：受严重骚扰的环境，如民用空架线、未加保护的高压变电所。
X级：由用户与制造商协商确定。

图中18uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也可不同，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。

10欧姆电阻以及9uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也不同，电阻最小值可选为0欧姆（美国标准就是这样）， 9uF电容也可以选得很大，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。

3、共模浪涌抑制电路

防浪涌设计时，假定共模与差模这两部分是彼此独立的。然而，这两部分并非真正独立，因为共模扼流圈可以提供相当大的差模电感。这部分差模电感可由分立的差模电感来模拟。

为了利用差模电感，在设计过程中，共模与差模不应同时进行，而应该按照一定的顺序来做。首先，应该测量共模噪声并将其滤除掉。采用差模抑制网络（Differential Mode Rejection Network），可以将差模成分消除，因此就可以直接测量共模噪声了。
如果设计的共模滤波器要同时使差模噪声不超过允许范围，那么就应测量共模与差模的混合噪声。因为已知共模成分在噪声容限以下，因此超标的仅是差模成分，可用共模滤波器的差模漏感来衰减。对于低功率电源系统，共模扼流圈的差模电感足以解决差模辐射问题，因为差模辐射的源阻抗较小，因此只有极少量的电感是有效的。

对4000Vp以下的浪涌电压进行抑制，一般只需采用LC电路进行限流和平滑滤波，把脉冲信号尽量压低到2~3倍脉冲信号平均值的水平即可。电感很容易饱和，因此，L1、L2一般都采用一种漏感很大的共模电感。

用在交流，直流的都有，通常我们在电源EMI滤波器，开关电源中常见到，而直流侧少见，在汽车电子中能够看到用在直流侧。

加入共模电感是为了消除并行线路上的共模干扰（有两线的，也有多线的）。由于电路上两线阻抗的不平衡，共模干扰最终体现在差模上。用差模滤波方法很难滤除。

共模电感到底需要用在哪。共模干扰通常是电磁辐射，空间耦合过来的，那么无论是交流还是直流，你有长线传输，就涉及到共模滤波就得加共模电感。例如：USB线好多就在线上加磁环。开关电源入口，交流电是远距离传输过来的就需要加。通常直流侧不需要远传就不需要加了。没有共模干扰，加了就是浪费，对电路没有增益。

电源滤波器的设计通常可从共模和差模两方面来考虑。共模滤波器最重要的部分就是共模扼流圈，与差模扼流圈相比，共模扼流圈的一个显著优点在于它的电感值极高，而且体积又小，设计共模扼流圈时要考虑的一个重要问题是它的漏感，也就是差模电感。通常，计算漏感的办法是假定它为共模电感的1%，实际上漏感为共模电感的0.5% ～4%之间。在设计最优性能的扼流圈时，这个误差的影响可能是不容忽视的。

漏感的重要性
　　漏感是如何形成的呢？紧密绕制，且绕满一周的环形线圈，即使没有磁芯，其所有磁通都集中在线圈“芯”内。但是，如果环形线圈没有绕满一周，或者绕制不紧密，那么磁通就会从芯中泄漏出来。这种效应与线匝间的相对距离和螺旋管芯体的磁导率成正比。
共模扼流圈有两个绕组，这两个绕组被设计成使它们所流过的电流沿线圈芯传导时方向相反，从而使磁场为0。如果为了安全起见，芯体上的线圈不是双线绕制，这样两个绕组之间就有相当大的间隙，自然就引起磁通“泄漏”，这即是说，磁场在所关心的各个点上并非真正为0。共模扼流圈的漏感是差模电感。事实上，与差模有关的磁通必须在某点上离开芯体，换句话说，磁通在芯体外部形成闭合回路，而不仅仅只局限在环形芯体内。

一般CX电容可承受4000Vp的差模浪涌电压冲击，CY电容可承受5000Vp的共模电压冲击。正确选择L1、L2和CX2、CY参数的大小，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌电压。但如果两个CY电容是安装在整机线路之中，其总容量不能超过5000P，如要抑制浪涌电压超过4000Vp，还需选用耐压更高的电容器，以及带限幅功能的浪涌抑制电路。

所谓抑制，只不过是把尖峰脉冲的幅度降低了一些，然后把其转换成另一个脉冲宽度相对比较宽，幅度较为平坦的波形输出，但其能量基本没有改变。
两个CY电容的容量一般都很小，存储的能量有限，其对共模抑制的作用并不很大，因此，对共模浪涌抑制主要靠电感L1和L2，但由于L1、L2的电感量也受到体积和成本的限制，一般也难以做得很大，所以上面电路对雷电共模浪涌电压抑制作用很有限。

图（a）中L1与CY1、 L2与CY2，分别对两路共模浪涌电压进行抑制，计算时只需计算其中一路即可。Ø对L1进行精确计算，须要求解一组2阶微分方程，结果表明：电容充电是按正弦曲线进行，放电是按余弦曲线进行。但此计算方法比较复杂，这里采用比较简单的方法。
共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波，以及CY电容两端的电压为Uc，测流过电感的电流为一宽度等于2τ的锯齿波：

流过电感的电流为：

流过电感的最大电流为：

在2τ期间流过电感的平均电流为：

由此可以求得CY电容在2τ期间的电压变化量为：

上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式，式中，Uc为CY电容两端的电压，也是浪涌抑制电路的输出电压，∆Uc为CY电容两端的电压变化量，但由于雷电脉冲的周期很长，占空比很小，可以认为Uc = ∆Uc，Up为共模浪涌脉冲的峰值，q为CY电容存储的电荷，τ为共模浪涌脉冲的宽度，L为电感，C为电容。

根据上面公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，电容C=2500p，浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp，则需要电感L的数值为1H。显然这个数值非常大，在实际中很难实现，所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限，此电路还需进一步改进。

差模浪涌电压抑制，主要是靠图中的滤波电感L1、L2 ，和滤波电容CX ，L1、L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择，同样可以用下面公式来进行计算。

但上式中的L应该等于L1和L2两个滤波电感之和，C=CX，Uc等于差模抑制输出电压。一般，差模抑制输出电压应不大于600Vp，因为很多半导体器件和电容的最大耐压都在此电压附近，并且，经过L1和L2两个滤波电感以及CX电容滤波之后，雷电差模浪涌电压的幅度虽然降低了，但能量基本上没有降低，因为经过滤波之后，脉冲宽度会增加，一旦器件被击穿，大部分都无法恢复到原来的状态。

根据上面公式，假设浪涌峰值电压Up=4000Vp，脉冲宽度为50uS，差模浪涌抑制电路的输出电压Uc=600Vp，则需要LC的数值为14mH×uF。显然，这个数值对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的，相比之下，增加电感量要比增加电容量更有利，因此最好选用一种有3个窗口、用矽钢片作铁芯，电感量相对较大（大于20mH）的电感作为浪涌电感，这种电感共模和差模电感量都很大，并且不容易饱和。顺便指出，整流电路后面的电解滤波电容，同样也具有抑制浪涌脉冲的功能，如果把此功能也算上，其输出电压Uc就不能选600Vp，而只能选为电容器的最高耐压Ur（400Vp）。