Переходные скачки напряжения оказывают различное воздействие на электронные схемы: от неприятных незначительных неисправностей до катастрофических последствий, вызывающих повреждение компонентов схемы. Причины этих переходных процессов разнообразны, включая молнии, статическое электричество и наведенные разряды (рис. 1).
Рисунок 1. Переходные процессы могут быть вызваны молнией, статическим электричеством, наведенными разрядами и т. д., что может привести к серьезному повреждению незащищенного электронного оборудования. Источник изображения: LitInc.)
Подобные переходные процессы могут создавать импульсы с пиковым напряжением от сотен до десятков тысяч вольт и током до килоампер, длительностью от сотен наносекунд до миллисекунд.
Миниатюризация микросхем и процессоров, а также снижение напряжения питания делают их более чувствительными к электрическим переходным явлениям. Это особенно актуально для транспортных средств, которые управляются несколькими электронными системами, включая двигатель, рулевое управление, тормозную систему, кондиционер и развлекательные системы.
Для защиты чувствительных цепей были разработаны различные конструктивные решения, включая экранированную проводку, фильтры, дугогасительные устройства и зажимные устройства. Экранирование и фильтрация являются пассивными, а гашение дуги и защита зажимами — активными. Устройства гашения дуги, такие как искровые разрядники, газоразрядные трубки и тиристоры, шунтируют переходные токи на землю для защиты цепи. Когда устройство гашения дуги активно, защищаемое оборудование не работает, но как только переходный процесс исчезает, оборудование может работать нормально.
Зажимные устройства включают в себя металлооксидный варистор (MOV), стабилитрон и лавинные диоды подавления переходного напряжения (TVS), которые поддерживают постоянное напряжение на защищаемом оборудовании за счет изменения импеданса. Эти технологии могут использоваться отдельно или одновременно. TVS-диод широко используется в качестве фиксирующего устройства из-за его быстрого отклика и большой рассеиваемой мощности.
Диод подавления переходных напряжений
TVS-диод представляет собой лавинный диод, используемый в качестве фиксирующего устройства. Когда приложенное напряжение превышает напряжение лавинного пробоя, оно шунтирует чрезмерный ток и удерживает напряжение при постоянном потенциале. Когда приложенное напряжение ниже значения пробоя, оно автоматически сбрасывается.
TVS-диоды можно использовать как однонаправленные устройства для предотвращения переходных процессов униполярных или двунаправленных устройств для предотвращения переходных процессов любой полярности (рис. 2). Двунаправленные устройства могут быть симметричными, фиксируемыми к напряжению любой полярности с одинаковой амплитудой, или асимметричными, фиксируемыми к разным уровням напряжения в зависимости от полярности переходного процесса.
Рисунок 2: Вольт-амперные характеристики пробоя трех устройств TVS и их схематические обозначения. Источник изображения: LitInc.)
Принцип работы однонаправленного TVS-диода аналогичен принципу работы простого диода. Он горит, когда применяется прямое смещение, и не горит, когда применяется обратное смещение, пока не будет превышено напряжение пробоя (VBR) диода. Когда приложенное напряжение превышает VBR, диод включается, и напряжение на обоих концах поддерживается на уровне напряжения фиксации (VC). Максимальная мощность, которую может рассеивать этот диод, равна пиковому импульсному току (IPP) x VC.
Двусторонние TVS-диоды эквивалентны двум диодам, включенным спина к спине. Когда напряжение пробоя (VBR) не превышается ни в одном из направлений, протекает лишь небольшой обратный ток утечки (IR). Эта операция симметрична, поскольку амплитуды напряжения пробоя одинаковы для обоих условий смещения.
Асимметричные TVS-диоды ведут себя аналогично двунаправленным устройствам, но напряжения пробоя (VBR1 и VBR2) различны.
Асимметричный TVS-диод
Возможно, вам захочется узнать, зачем нужны асимметричные TVS-диоды. Эти компоненты предназначены для защиты драйверов затворов МОП-транзисторов из карбида кремния (SiC). Из-за высокой скорости переключения SiC эти приводы уязвимы к повреждениям из-за переходных процессов при перенапряжении. Давайте посмотрим на SiC MOSFET или тяговый инвертор для бортовой зарядки (рис. 3).