تأثیر افزایش ناگهانی ولتاژ و نوسانات بر مدارهای الکترونیکی متفاوت است، از خطاهای جزئی آزاردهنده تا پیامدهای فاجعه بار که می تواند باعث آسیب به اجزای مدار شود. علل چنین پدیده های گذرا متنوع هستند، از جمله رعد و برق، الکتریسیته ساکن، و تخلیه القایی (شکل 1).
شکل 1: گذرا می تواند در اثر رعد و برق، الکتریسیته ساکن، یا تخلیه القایی ایجاد شود که می تواند باعث آسیب جدی به دستگاه های الکترونیکی محافظت نشده شود. (منبع تصویر: Littelfuse Inc.)
چنین گذراهایی میتوانند پالسهایی با حداکثر ولتاژ از صدها ولت تا دهها هزار ولت و جریانهایی که به سطوح کیلوآمپر میرسند، با مدت زمانهای مختلف از صدها نانوثانیه تا میلیثانیه تولید کنند.
کوچک شدن آی سی ها و پردازنده ها و همچنین کاهش ولتاژ منبع تغذیه، آنها را نسبت به گذراهای الکتریکی حساس تر می کند. این امر به ویژه برای وسایل نقلیه ای که توسط چندین سیستم الکترونیکی از جمله موتور، فرمان، ترمز، تهویه مطبوع و سرگرمی کنترل می شوند صادق است.
به منظور محافظت از مدارهای حساس، استراتژیهای طراحی مختلفی از جمله سیمکشی محافظ، فیلترها، سرکوب قوس و دستگاههای گیره ایجاد شدهاند. محافظ و فیلتر طراحی غیرفعال را اتخاذ می کنند، در حالی که سرکوب قوس و محافظت از گیره مکانیسم های فعال را اتخاذ می کنند. شکاف های جرقه، لوله های تخلیه گاز، تریستورها و سایر وسایل خاموش کننده قوس، جریان های گذرا را به سمت زمین منحرف می کنند تا از مدار محافظت کنند. هنگامی که دستگاه خاموش کننده قوس در حالت فعال است، تجهیزات محافظت شده کار نمی کنند، اما پس از ناپدید شدن گذرا، تجهیزات می توانند به طور عادی کار کنند.
دستگاه های بستن شامل وریستورهای اکسید فلزی (MOV)، دیودهای زنر و دیودهای بهمنی سرکوب کننده ولتاژ گذرا (TVS) هستند که با تغییر امپدانس، ولتاژ ثابتی را در سراسر دستگاه محافظت شده حفظ می کنند. این فناوری ها را می توان به صورت جداگانه یا همزمان مورد استفاده قرار داد. دیودهای TVS به دلیل سرعت پاسخگویی سریع و اتلاف توان زیاد، به طور گسترده ای به عنوان دستگاه های گیره استفاده می شوند.
دیود سرکوب ولتاژ گذرا
دیود TVS یک دیود بهمنی است که به عنوان یک دستگاه گیره استفاده می شود. هنگامی که ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شکست بهمنی خود بیشتر شود، جریان بیش از حد را منحرف می کند و ولتاژ را در یک پتانسیل ثابت نگه می دارد یا گیر می کند. هنگامی که ولتاژ اعمال شده کمتر از مقدار شکست باشد، به طور خودکار تنظیم مجدد می شود.
دیودهای TVS را می توان به عنوان دستگاه های یک طرفه برای جلوگیری از گذرای یک قطبی و همچنین دستگاه های دو طرفه برای جلوگیری از گذرا با هر قطبی استفاده کرد (شکل 2). دستگاه های دو طرفه می توانند متقارن باشند، قادر به بستن هر ولتاژ قطبی با دامنه یکسان، یا نامتقارن، قادر به بستن به سطوح مختلف ولتاژ بر اساس قطبیت گذرا باشند.
شکل 2: مشخصات شکست ولتاژ جریان و نمادهای شماتیک سه دستگاه TVS. (منبع تصویر: Littelfuse Inc.)
اصل کار یک دیود TVS یک طرفه مشابه دیود ساده است. با بایاس رو به جلو هدایت می شود و در هنگام بایاس معکوس هدایت نمی شود، تا زمانی که از ولتاژ شکست (VBR) دیود تجاوز کند. هنگامی که ولتاژ اعمال شده از VBR فراتر می رود، دیود هدایت می شود و ولتاژ را در پایانه های خود در ولتاژ گیره (VC) حفظ می کند. حداکثر توانی که این دیود می تواند تلف کند حداکثر جریان پالس (IPP) x VC است.
یک دیود دو طرفه TVS معادل دو دیود پشت سر هم است. هنگامی که ولتاژ شکست (VBR) در هیچ جهتی تجاوز نمی کند، تنها یک جریان نشتی معکوس کوچک (IR) جریان می یابد. این عمل متقارن است زیرا دامنه های ولتاژ شکست تحت دو شرایط بایاس یکسان است.
عملکرد دیودهای TVS نامتقارن شبیه به دستگاه های دو طرفه است، اما ولتاژ شکست آنها (VBR1 و VBR2) متفاوت است.
دیود TVS نامتقارن
ممکن است تعجب کنید که چرا دیودهای TVS نامتقارن مورد نیاز است. این قطعات برای محافظت از درایورهای گیت در ماسفت های کاربید سیلیکون (SiC) طراحی شده اند. به دلیل سرعت سوئیچینگ سریع SiC، این درایورها در معرض آسیب ناشی از گذراهای اضافه ولتاژ هستند. بیایید نگاهی به SiC MOSFET یا اینورتر کششی که برای شارژ خودرو استفاده می شود بیندازیم (شکل 3).
شکل 3: تلویزیون های نامتقارن TPSMB1505CA که برای محافظت از درایورهای دروازه سوئیچ SiC MOSFET استفاده می شود. (منبع تصویر: Littelfuse Inc.)
تلویزیون های Asymmetric Littelfuse TPSMB1505CA برای محافظت از درایور گیت ماسفت ها استفاده می شود. راننده دروازه دو حالت دارد. ولتاژ گیت در حالت روشن بین -5 و 10 ولت است، در حالی که در حالت خاموش کمتر از -10 ولت است. ولتاژ شکست نامی کاتد (K) تا آند (A) TPSMB1505CA 16.7 تا 18.5 ولت است و حداکثر ولتاژ گیره در این جهت 24.4 و I24.4 است. مدت زمان پالس 10 تا 1000 میلی ثانیه است.
ولتاژ شکست TVS از A تا K 6.8 تا 7.4 ولت و حداکثر ولتاژ بستن 11.5 ولت است. پیک جریان پالس در این جهت 60 A و مدت زمان پالس گذرا نیز 10 تا 1000 میلی ثانیه است. شایان ذکر است که این امر تنها از طریق یک جزء واحد امکان پذیر است. اگر از اجزای مستقل برای دستیابی به این حالت کار نامتقارن استفاده شود، چندین جزء باید با هم کار کنند.
دیود TVS سری نامتقارن Littelfuse TPSMB (شکل 4) شامل دو جزء اضافی با ولتاژهای شکست مختلف K تا A است. TPSMB1805CA محدوده ولتاژ شکست K تا A بین 20.0 تا 21.1 ولت را با حداکثر ولتاژ گیره 29.2 ولت ارائه می دهد. Ipp نامی 20.6 A و مدت زمان پالس 10 تا 1000 میلی ثانیه است. محدوده ولتاژ شکست A تا K همان TPSMB1505CA (6.8 تا 7.4 V) است.