CN206673575U - 一种过压防护模块及用电设备 - Google Patents

Abstract

一种过压防护模块及用电设备，过压防护模块包括固体放电管、压敏电阻与正温度系数的热敏电阻，其中：所述热敏电阻阀片的第一表面的电极与所述压敏电阻阀片的第一表面的电极电气连接形成模块的输出引脚，所述热敏电阻阀片的第二表面的电极作为模块的输入引脚，所述固体放电管的第一电极与所述压敏电阻阀片的第二表面电气连接，所述固体放电管的第二电极作为模块的公共引脚。本防护模块摒弃了传统固有的单纯压敏电阻防雷思路，采用新的“钳位器件”与“开关器件”混合防护的思维突破了最大运行电压对压敏电阻动作电压的限制，有效地降低了雷击残压，给后级敏感的电路提供充分安全的防护水平。

Description

一种过压防护模块及用电设备

技术领域

本实用新型涉及电源过压保护技术领域，特别是涉及一种过压防护模块及用电设备。

背景技术

雷击过压经常以线缆传导或者电磁感应的方式由低压供电线缆侵入设备的电源端口，对电源部分的元器件造成过压过流冲击，因此几乎所有用电设备的电源端口都采取了一定程度的防雷措施，抵御这种雷击过压的威胁。最典型的防雷措施是采用一个氧化锌压敏电阻(Metal Oxide Varistor，以下称：MOV) 并联在电源口两端，以旁路泄放雷击电流，同时利用压敏电阻的非线性I-V特性抑制雷击电压的升高，保护电源端口的元器件。这种简单的防雷方式对于多数设备来说是适用、安全的，但是并非所有设备都可以采用如此简单的防雷方式，因为电路拓扑结构不同的电源类型对瞬态过压的耐受水平差异很大，比如取消了高压储能电容的各种升压降压电路对雷击过压就相当敏感，需要采用复杂的两级甚至三级防雷电路有效地抑制雷击残余电压。

传统的防雷电路只采用单一种类的钳位型防雷元件(即压敏电阻)进行防护，由于压敏电阻的直流动作电压受到设备最大运行电压的要求与限制，无法随意降低，因此降低雷击残压的唯一途径就是减小压敏电阻的雷击电流密度，比如增大压敏电阻的直径或者增加雷击防护电路的级数，都可以降低末级压敏电阻的雷击电流密度。但是，对相同动作电压的压敏电阻而言，即使将Ф10的压敏电阻更换成Ф20的压敏电阻，其雷击电流密度也仅仅相差4～5倍(即Ф20 的压敏电阻的刷银面积约为Ф10的压敏电阻刷银面积的4～5倍)，这种雷击电流差值所带来的雷击残压差别很小。比如3KV的1.2/50uS雷击电压在10D51IK 的压敏电阻上形成的冲击电流密度约为2KA/cm²,雷击残压约为1000Vp；如果将10D511K更换为20D511K，则冲击电流密度降为500A/cm²,雷击残压将为 800Vp，也就是说，即使将压敏电阻的阀片直径增大1倍，雷击残压也只能降低约20％。因此仅仅降低压敏电阻的雷击电流密度，是无法将雷击残压大幅度减小的。

受到设备最大运行电压的制约，传统防雷方案中的压敏电阻的直流动作电压不能随意降低，对于额定工况条件为220V_AC±30％的设备而言，防雷压敏电阻的动作电压需要大于490V_DC，实际应用中通常选用510V_DC动作电压的压敏电阻进行防雷，对常用的小型压敏电阻10D511K(即直径为10mm压敏电压为 510VDC)进行测试，其在不同雷击电流下的残压水平如下表所示：

以上测试表明，采用传统的单纯的压敏电阻防雷设计，即使能够将末级压敏电阻的雷击电流抑制到50～100A的水平，其雷击残压也会达到800Vp以上水平，雷击残压比在1.6～2.0的水平。可见传统的依靠单纯压敏电阻防雷的方案，对雷击残压制约最大的因素就是压敏电阻的动作电压。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种过压防护模块，旨在解决传统的压敏电阻防雷设计方案无法解决的压敏电阻漏电流偏大与压敏电阻输出残压偏高的对立矛盾的问题。

本实用新型提供了一种过压防护模块，包括固体放电管、压敏电阻与正温度系数的热敏电阻，所述热敏电阻的阀片和所述压敏电阻的阀片均具有两个相对的表面电极，其中：

所述热敏电阻阀片的第一表面电极与所述压敏电阻阀片的第一表面电极以高导热导电物质电气连接，并引出模块的输出引脚；所述热敏电阻阀片的第二表面电极作为模块的输入引脚；所述固体放电管的第一电极与所述压敏电阻阀片的第二表面电极电气连接，所述固体放电管的第二电极作为模块的公共引脚。

优选地，还包括一电容器，所述电容器与所述压敏电阻并联电气连接。

在一个实施例中，还包括高导热包封层，所述高导热包封层将所述固体放电管、压敏电阻和热敏电阻包封在内。

优选地，所述固体放电管的第一电极与所述压敏电阻阀片的第二表面电极电气连接，且所述固体放电管紧贴于所述压敏电阻阀片的第二表面电极。

在另一个实施例中，还包括高导热包封层和一金属引出电极，所述高导热包封层将所述压敏电阻和热敏电阻包封在内，所述金属引出电极与所述压敏电阻阀片的第二表面电极电气连接且至少部分外露于所述高导热包封层。

优选地，所述固体放电管的第一电极与所述金属引出电极的外露部分电气连接。

优选地，所述高导热包封层为有机硅树脂层。

优选地，所述输出引脚位于所述热敏电阻阀片的第一表面电极与所述压敏电阻阀片的第一表面电极之间的部分为扁平状。

优选地，所述固体放电管为TSS管(Thyristor Surge Suppressor，电压开关型瞬态抑制二极管)。

本实用新型还提供了一种用电设备，具有火线输入端子、零线输入端子和负载电路，包括上述的过压防护模块，其中，所述过压防护模块的输入引脚、输出引脚和公共引脚顺次分别与所述火线输入端子、负载电路和零线输入端子电气连接。

上述的过压防护模块摒弃固有的传统防雷思路，采用新的“钳位器件”与“开关器件”混合防护的思维，突破了最大运行电压对压敏电阻动作电压的限制，有效降低雷击残压，给后级敏感的电路提供充分安全的防护水平。

附图说明

图1为本实用新型实施例中过压防护模块的应用示意图；

图2为本实用新型第一实施例中过压防护模块的电路结构图；

图3为本实用新型第一实施例中过压防护模块的结构示意图；

图4为本实用新型第二实施例中过压防护模块的结构示意图；

图5为本实用新型第一实施例中“压敏电阻+放电管”混合型防雷电路结构图；

图6为TSS管伏安特性曲线图；

图7为本实用新型第二实施例中过压防护模块的电路结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，在较佳的实施方式中的过压防护模块10，其可应用在交流用电设备上，一般设置在用电设备(未图示)的电源端口(未图示)后端负载电路50之间，对负载电路50进行过压保护。过压防护模块10具有电气连接电源端口火线输入端子Li的输入引脚11、电气连接负载电路50的输出引脚12和连接电源端口零线输入端子N的公共引脚13。

具体地，请参阅图2和3，过压防护模块10包括正温度系数(Positive TemperatureCoefficient，PTC)的热敏电阻14、压敏电阻15与固体放电管16，热敏电阻14的阀片具有两个相对的表面，并从两个相对的表面分别引出两个电极；压敏电阻15的阀片也具有两个相对的表面，并也从两个相对的表面分别引出两个电极。

其中，热敏电阻14阀片的第一表面电极与压敏电阻15阀片的第一表面电极紧贴并以高导热导电物质电气连接，且引出模块10的输出引脚12，输出引脚12为金属电极，其与热敏电阻14阀片的第一表面电极和/或压敏电阻15阀片的第一表面电极焊接，其中高导热物质17为高含银量锡膏，如含银量3.5％以上。热敏电阻14阀片的第二表面电极作为模块10的输入引脚11，其可以引出金属电极，也可以不引出；固体放电管16的第一电极与压敏电阻15阀片的第二表面电气连接(如焊接)，固体放电管16的第二电极作为模块10的公共引脚13，其可以引出金属电极，也可以不引出。形成三个引脚的“三合一复合防护模块”。

在一个实施例中，请参阅图3，过压防护模块10利用高导热密封树脂将固体放电管16、压敏电阻15和热敏电阻14包封在内,使得输入引脚11、输出引脚12和公共引脚13部分外露。如此，全包封的“三合一复合防护模块”将热敏电阻14、压敏电阻15与固体放电管16三个元件背靠背焊接并包封在一起，使热量可以在三个元件之间快速传导，三个元件形成了一个吸收热量的整体，其“等效热容量”相对于单个元件来说得到了大幅度提高，因此过压防护模块 10吸收雷击脉冲能量的能力得到有效增强。在较大能量的雷击脉冲作用下，如果过压防护模块10吸收的能量使其的温度超过了热敏电阻14的动作温度，热敏电阻14会的阻值还会快速增大，自动抑制过压防护模块10的脉冲电流，使过压防护模块10的雷击温升被抑制在较低的安全温度范围之内，也相当于增强了雷击电路的脉冲能量耐受水平。

该实施例中，固体放电管16的第一电极161与压敏电阻15阀片的第二表面电极电气连接，具体是焊接的连接方式。且固体放电管16紧贴于压敏电阻 15阀片的第二表面电气，如果两者之间有缝隙则将树脂填充进去，提高两者之间的热传导效率。

优选地，热敏电阻14阀片的表面电极与压敏电阻15阀片的表面电极由镀银层形成，用于提高热传导及导电效率。另外，同样地为提高热传导效率，热敏电阻14阀片的表面电极和压敏电阻15阀片的表面电极相向正对设置。为进一步地缩短热量及导电传导时间和路径，将输出引脚12位于热敏电阻14阀片的第一表面电极与压敏电阻15阀片的第一表面电极之间的部分设置为扁平状，以缩短两个阀片之间的距离；当然，也可以将输出引脚12整体设置为扁平状。

在另一个实施方式中，请参阅图2和图4，对固体放电管16不进行包封，单独移出来作为独立的个体与“热敏压敏复合元件”进行电气连接，部分包封的“三合一复合防护模块”，也能够达到三个元件背靠背焊接在一起的复合防护模块相近的功能。如此，本实施例中，还包括一金属引出电极151，高导热包封层18将压敏电阻15和热敏电阻14包封在内，金属引出电极151与压敏电阻15阀片的第二表面电极电气连接，且至少部分外露于高导热包封层18，待与固体放电管16的第一电极161电气连接。需要说明的是，“热敏压敏复合元件”与固体放电管16分离后进行电气连接的应用电路，其工作原理甚至是元器件的选型都与“三合一复合防护模块”相类同，因此依然属于本专利的保护范围。如此，在该实施例中过压防护模块10，固体放电管16的第一电极与压敏电阻15阀片的第二表面引出的电极焊接。

以下，将对过压防护模块10的工作原理进行详细分析说明。

传统防雷电路采用单一的钳位型压敏电阻防雷元件，无法解决压敏电阻漏电流偏大与压敏电阻输出残压偏高的对立矛盾，必须引入开关型防雷元件，组成如图5所示的“钳位元件串联开关器件”的混合型防雷电路结构，才能在保障压敏电阻自身安全的基础上有效地降低雷击输出残压，给被保护电路提供可靠的雷击防护水平。

图5所示的混合防护电路在串入开关器件Z1之后，钳位压敏元件(即压敏电阻)MOV(以下称MOV)的动作电压可以做较大幅度的降低，以达到大幅度降低混合电路雷击残压的设计目标；为了保证防雷电路的工频耐受水平不降低，所降低的MOV动作电压的幅度，可以用串联的开关器件Z1的“阻断电压”来补偿，只要保证“钳位压敏元件动作电压”加上“开关器件阻断电压”之和大于预设的“最大连续工作交流电压的峰值”，就可以达到设定的工频电压耐受水平，满足“在不降低最大持续运行电压的情况下大幅降低雷击残压”的设计目标。

但是在大幅降钳位压敏元件动作电压的同时，电路的工频续流威胁风险也同时增大，平衡这两者关系的关键在于开关器件Z1的选型及其参数的确定，因为开关器件Z1的伏安特性决定了混合电路的诸多安全参数，如直流动作电压的离散性、最大工频电压的耐受水平、雷击跟随工频续流的遮断时间等。如果采用传统常见的开关型防雷元件气体放电管(GDT，Gas Discharge Tube)作为串联元件，将会对混合电路的稳定性甚至安全性造成严重的影响，因为GDT 几个特性参数的离散性太大，如：直流动作电压离散性很大、辉光电压的波动幅度很大、辉光与弧光的转换电流不稳定、气体恢复到惰性状态的时间不确定性等等，使GDT不适合应用在“钳位元件串联开关器件”的混合型防雷电路结构中，对降低雷击残压没有太大的帮助。

另外，在过压防护器件中有一种俗称“固体放电管”的半导体放电管，如 TSS管，是一种具有负阻折回特性的开关器件，具备优良的开关泄流特性，它的伏安特性曲线如图6所示。

TSS管具有相当稳定的“V_DRM阻断电压”参数，这个特性使之与压敏电阻串联使用之后，两者的串联直流动作电压具有稳定可控的特性，这一特性是串联混合电路安全可靠的重要保障。而常用的防雷GDT管的直流动作电压通常在其标称动作电压的±20％范围内摆动，离散性太大，无法保障与压敏电阻串联之后的动作电压的稳定性。

TSS管的另外一个重要参数“I_S导通触发电流”的数值较大(通常达到 600～800mA)，这个特性进一步保障了“MOV串联TSS”混合电路对电网工频电压耐受值的稳定性，因为在正常工况条件下，电网工频电压无论是通过 MOV的等效并联电容(通常在0.1～10nF)还是MOV自身的漏电流都无法形成 500mA这么大的连续工频电流，自然无法使TSS管进入“导通状态”，保障了无雷击状态下串联混合电路的稳定性。而传统的GDT管的“辉光电流”数值很小(通常只有0.1～10mA)，电网通过MOV的等效电容或者通过MOV自身的漏电流所形成的工频电流幅值，就可能意外触发GDT管进入“辉光状态”，进而使GDT管快速过渡到完全导通的“弧光状态”形成连续的、无法熄灭的工频电流，因此“MOV串联GDT”的混合电路在电网电压应力之下处于极不稳定的工作状态，无法保证防护电路自身的稳定性与安全性。

TSS管的“电流过零即关断”的关断特性使得TSS管能够有效遮断跟随在雷击脉冲之后的工频续电流。在雷击过压脉冲与电网应力的双重作用下TSS管进入“导通状态”并且形成了跟随的工频续流，由于电网工频电压的交变特性使得工频续流一定会在半个工频周期内穿越零电流点，“过零”之后的TSS管将马上恢复到“截止状态”，只要下一个工频电压的峰值低于“MOV动作电压与TSS管阻断电压之和”，TSS管就会一直维持阻断状态，因此雷击脉冲所形成的工频续流所持续的时间不会超过10毫秒。只要MOV与TSS管的参数选型得当，工频续流的幅度是可控的，10mS时间内产生的温升也不至于对MOV 的阀片与TSS管造成损坏。而GDT管不存在类似TSS管的“电流归零就恢复阻断状态”的特性，GDT管恢复阻断状态的时间很不确定，因其管内被雷击电离的气体恢复到惰性、绝缘状态的时间没有保障，测试经常发现，在雷击脉冲过后一定时间之内，GDT管内的气体还处于微弱的辉光电离状态，如果下一个电网峰值电压高于“MOV动作电压与GDT管辉光电压之和”，则GDT管将会被电网电压继续触发，工频续流将无法熄灭，MOV阀片与GDT管都将处于过温危险之中，因此在本设计中GDT管不能取代TSS管。

但是长期以来TSS管只是作为过压防护器件应用在数据端口，数据端口没有交流电势差，不存在雷击后的跟随工频电流问题，而且多数情况下数据端口的雷击电流冲击幅度不大，因而常用的TSS管的雷击通流水平与工频耐流水平都不高，比如封装形式为SMC的固体放电管，其8/20uS波形雷击通流能力小于500A，连续工频通流能力通常小于20A。如果将TSS管简单地应用到交流电源端口，TSS管很容易被雷击电流或者工频电流击穿短路，因此必须重新充分评估TSS管的安全特性。

将TSS管应用到电源端口，需要先行解决两个问题：一是降低雷击电流的峰值使之落在常用TSS管的雷击电流耐受范围之内；二是降低电网工频续流的幅值使之落在常用TSS管的耐受范围之内。只有解决了这两个问题，传统的 TSS管才可能安全地应用到电源端口。如何解决工频续流的可靠遮断问题，是这个新型防雷设计电路可行性的关键因素。

从前面的分析可以看到，要想较大幅度地降低雷击残压，就必须大幅度地降低压敏电阻的动作电压，采用较低动作电压的压敏电阻就决定了雷击之后跟随工频续流是不可避免的；而且在超过其最大运行电压的工况条件下，所产生的工频电流的幅值也会较高。既然工频续流的产生是不可避免的，而且工频电流的幅值也不可能很低，那么保护压敏电阻与TSS管的唯一途径就是考虑如何缩短工频电流持续的时间，在压敏电阻与TSS管被高温损坏之前快速关断电网工频续流。要实现这个高温关断电流的功能，最适合的元件就是PTC(Positive Temperature Coefficient，正的温度系数)热敏电阻。由此可见，上述实施例中的固体放电管可选TSS管，或其他性能相近的固体放电管。

结合图2和图3，对压敏电阻15的温度进行检测并对电网电流进行高温切断的最有效手段，就是将具有正温度系数特性的热敏电阻14印银阀片与压敏电阻15印银阀片直接背靠背地焊接在一起。要保证热量能够在两个陶瓷阀片之间高效传导，使压敏阀片与热敏阀片形成一个统一的蓄热整体，让热敏阀片有效感知并跟随压敏阀片的温度变化，在温度上升到到预设的控制温区之后(如 200～300℃)，利用热敏阀片的阻值非线性跃迁特性，使电网供应给压敏电阻 15的工频电流急剧降低至毫安级别的安全水平，阻止压敏阀片温度的继续上升，从而防止压敏阀片的温度进入到危险的破坏性温区(通常在500～600℃)，压敏阀片就得到了有效的热保护。

请参阅图2和图3，将热敏电阻14的阀片与压敏电阻15的阀片背靠背贴合在一起焊接，就构成俗称的“热敏压敏复合元件”。将“热敏压敏复合元件”与 TSS管串联在一起，就形成如图3所示的“热敏压敏复合型低残压防雷电路”。

在工频电流产生的初期PTC热敏电阻14还没达到其居里温度(俗称“动作温度”)，其电阻值维持在常温阻值附近，工频电流在压敏阀片上产生的焦耳热为E_V＝∫uidt，工频电流在热敏电阻14上产生的焦耳热为E_R＝∫i²Rdt。由于压敏电阻15属于非线性器件，实际流经热敏与压敏电阻15的电流i并不是规则的正弦波电流，因此实际产生的焦耳能量最好通过数字示波器的电压电流采样数据进行卷积计算。以上图3的电路为例，如果热敏电阻14取值10Ω、压敏电阻 15动作电压取值240VDC、TSS管标称电压取值150VDC，对这个电路施加320VAC的工频电压，抓取热敏电阻14与压敏电阻15各自的电压波形数据以及流过两者的电流波形数据，分别对压敏电阻15在10mS内的焦耳热进行积分计算，得到E_V＝6J，E_R＝1J，反过来推算得到两者的加热电功率P_V＝600W， P_R＝100W。

可见同样的电流在热敏电阻14与压敏电阻15之上所产生的电功率有着巨大的差异，压敏电阻15的电功率几乎是热敏电阻14的6倍，意味着压敏电阻 15的温度上升速率要比热敏电阻14快得多，如果热敏阀片与压敏阀片分别属于两个独立的元件，两者之间不存在热耦合，可以预见，在压敏电阻15的温度达到氧化锌晶粒的失效温度的时候，热敏电阻14的温度还没达到其有效高阻值温区，无法对电网电流形成快速的抑制作用，可见分离的热敏电阻14无法保护有工频电流流过的压敏电阻15。

只有当热敏电阻14与压敏电阻15的两个阀片背靠背地焊接成一个蓄热整体的时候，压敏电阻15的阀片的热量可以快速传导给热敏电阻14的阀片，即使两者的电功率差别很大，热敏电阻14的阀片的温度依然能够快速跟随压敏电阻15的阀片的温度上升速度，因为热敏电阻14的阀片的温度上升不再依赖单纯的工频电流加热效应，二是主要依靠压敏电阻15阀片的直接热传导来产生温度上升，因此当压敏电阻15的阀片温度越过200℃的时候，热敏电阻14的阀片的温度也很快达到200℃。在这个温区，热敏电阻14的阻值已经达到几百KΩ的水平，电网通过热敏电阻14与压敏电阻15环路形成的工频电流也会降低至几毫安的水平，这个微弱的电流所产生的电功率只有1W左右，已经接近防护模块对空气的热耗散水平，因此防护模块的温度维持在200℃附近，不再继续上升，有效地避免了模块达到压敏电阻15晶粒的破坏温区(超过300℃)。

实际应用中热传导有一个滞后的时间，这个滞后时间的长短取决于热量在两个阀片间传导的阻力(俗称“热阻”)。“热阻”的大小与两个阀片之间的焊接材料与焊接水平高度相关，需要尽可能地加大两个阀片的接触面积以及采用导热性能更好的电极材料与焊接材料，从而提高复合防护模块对工频电流的耐受水平。

除了“热阻”因素，热敏电阻14与压敏电阻15阀片的“等效热容量”参数也是设计“热敏压敏复合器件”的关键参数。热敏电阻14阀片的等效热容量又称“动作热容量”，指的是热敏电阻14电阻值从常温25℃上升到其居里温度T_C所吸收的能量。压敏电阻15阀片的“最大热容量”则指的是压敏阀片温度从常温 25℃上升到其损毁温度所吸收的能量。由于两个阀片之间“热阻”的存在，热敏电阻14阀片对压敏电阻15阀片温度的跟随滞后时间不可避免地存在，这个因素是影响“热压复合器件”对大幅值工频电流冲击安全性的关键因素。为了降低压敏阀片被工频电流烧穿的风险，需要尽可能地加大压敏阀片的“最大热容量”，同时尽可能的减小热敏阀片的“动作热容量”，使热敏电阻14阀片的“动作时间”远小于压敏阀片的“烧穿时间”，确保复合器件规定的工频冲击电流下的安全性具备一定的裕量。

由于热量可以在模块的三个部件之间自由快速传导(TSS管的热量先传导给压敏阀片，然后再传导给热敏阀片)，因此热敏阀片可以感知并跟随压敏阀片以及TSS管的温度变化情况，只要选择合适动作热容量的热敏电阻14，热敏电阻14就可以给压敏阀片以及TSS管提供安全的过温保护，有效防止工频电流对压敏阀片与TSS管的高温损坏，保证防护模块自身的安全。

全包封的“三合一复合防护模块”所具备的防护性能：

如果按照工况条件(220VAC±30％，雷击防护水平3KV_1.2/50uS)进行选型设计，可以确定“三合一”复合防雷模块内部各个部件的参数分别如下：

热敏电阻：R₂₅＝10Ω±10％，T_C＝110℃，阀片直径8mm，阀片厚度3mm；

压敏电阻：U_V＝240V_DC±10％，阀片直径10mm，阀片厚度1.2mm；

TSS管：标称动作电压180V_DC±10％，标称8/20uS放电电流400A。

将焊接包封好的防护模块样品进行3KV_1.2/50uS雷击测试(同时给模块施加300VAC最大运行工频电压)：

1、加上300VAC交流电，在电压正弦波的90°与270°角进行雷击冲击，雷击残压如下：

雷击残压：Uo1<600Vp(波头尖峰电压，t<1uS)

雷击残压：Uo2<480Vp(平台部分电压，t>1uS)

续流遮断情况：脉冲过后工频续流维持时间小于10mS。

2、在模块的1、3脚之间施加440VAC/5A的模拟电网工频过电压，测试防护模块2、3脚之间的输出电压幅值，结果为：Uop<460Vp。

由测试数据可见，“三合一”防雷模块在雷击脉冲过后没有产生持续的工频续流电流，可以满足300VAC的最大运行电网条件。但是波头尖峰的残压偏高，虽然波头脉宽很窄(仅0.2uS)，但依然会对后级电路产生威胁。

改进的“三合一”防护模块：

在进一步的实施方式中，请参阅图7，过压防护模块10在雷击测试时产生的雷击波头过压尖峰是由固体放电管16的动作电压与压敏电阻15的钳位电压同时叠加所致，为了消除这个波头尖峰过压，需要让固体放电管16先行触发导通并使其两端压降低至5V_DC，然后再开通压敏电阻15进行雷击电流泄放，这样固体放电管16的波头触发电压(约200Vp)就不会与压敏电阻15的钳位电压发生同时叠加。

过压防护模块10在通过在压敏电阻15两端并联高压电容19的方式，利用雷击波头上升陡度较高的特点，使固体放电管16的触发电流(约0.8Ap)由电容19提供，避免固体放电管16的触发电流流经压敏电阻15而产生叠加效应，达到消除雷击波头尖峰的效果。

本实施例中，固体放电管16优选TSS管。电容19的取值要谨慎选择，避免容量过小以致于不能提供足够的脉冲电流来触发TSS管，同时也要避免过大的容量使正常的300VAC工频电压意外触发TSS管。

另外，过压防护模块10是全包封的“三合一复合防护模块”的情况下，电容19可以利用高导热包封树脂包封在内。过压防护模块10是部分包封的“三合一复合防护模块”的情况下，电容19可以利用高导热包封树脂包封在内，也可以是独立在外单独设置。

将改进的“三合一”防雷模块再次进行同样的雷击冲击测试与工频过压测试，结果如下：

1、加上300VAC交流电，在电压正弦波的90°与270°角进行雷击冲击，结果如下：

雷击残压：Uo<500Vp(任意时间)，脉冲过后工频续流维持时间小于10mS。

2、在复合防护模块的1、3脚之间施加440VAC/5A的模拟电网工频过电压，测试防护模块2、3脚之间的输出电压幅值，结果为：Uop<460Vp。

由上面的测试结果可以看到，在电网运行电压达到300V_AC的情况下，本专利设计的“三合一”防雷模块的3KV雷击残压非常低，仅为500Vp，雷击残压仅仅比电网峰值电压420Vp高出约80Vp，即“残压比”仅为1.2，成为真正的“超低残压的防雷模块”。而在传统的防雷方案中，如果采用单个10D511K的压敏电阻15进行防护，其3KV雷击残压将高达1100Vp，雷击残压比达到2.2。可见本专利设计的防护模块在降低雷击残压方面非常有效，相对于传统的防雷电路，“三合一”复合型防护模块的雷击残压降低了45％，具有明显的性能优势。

本专利中的过压防护模块的其它优点：

1、过压防护模块可以给设备提供安全的“持续工频过压保护”。

所谓的“持续的工频过压”指的是供电电压由于某种原因(比如零线缺失、单相接地故障、接线错误、电网自身波动等)造成的电压升高使电压幅值连续超过设备最大运行电压的现象。长时间的工频过压将对设备电源造成无法恢复的损坏，尤其是电源电路中对工频过压相当敏感的两个部件：防雷电路压敏电阻15以及高压储能电解电容。

出于降低雷击残压的考量，传统的单纯压敏电阻防雷方式中，压敏电阻的动作电压取值通常仅仅比设备最大运行电压的峰值高10～20％，当电网的电压波动幅度长时间超过其最大运行电压的+30％的时候，防雷电路的压敏电阻将进入电流为几十毫安的动作区，在这个电流的加热作用下，只需要30秒到1分钟左右的时间，压敏电阻就会产生过温短路失效，随后可能会冒烟起火炸裂。

在单相供电的设备中常用的高压储能电容的直流耐压为400VDC和 450VDC两种规格，如果电网工频电压连续超过设备最大运行电压的+30％，则整流后的电压将远超过500VDC，使高压铝电解电容开阀漏液甚至爆炸。

传统的防雷电路不具备连续工频过压的抑制能力。而本专利设计的“三合一复合防护模块”，只要适当选取压敏阀片与TSS管的直流动作电压参数，使两者直流动作电压之和小于430VDC，就可以在电网峰值电压超过430VDC的时候，触发TSS管与压敏阀片流过工频电流，两者所产生的热量对热敏阀片进行直接加热，使热敏阀片的阻值快速跃迁翻转到高阻值状态，此时模块的输出工频电压被有效抑制在450VDC以下输出，以保护整流器后面的450VDC高压铝电解电容，同时复合防护模块自身还不会产生损坏，当电网工频过电压故障排除之后，只需2～3分钟的冷却时间，复合防护模块又可以恢复到正常的工作状态。

可见利用“三合一复合防护模块”精准的动作电压特性可以抑制电网工频过电压的输出电压幅值，有效保护设备的敏感元器件免受电网波动的损坏。

2、过压防护模块能够耐受更长时间的暂态过电压TOV的冲击。

工频暂态过电压俗称TOV(英文全称：temporary over-voltage)，是供电网络中经常出现的电网短时间(0.1～5S)波动现象，引起TOV过电压的原因有很多，常见的有：感性大型电机开关操作、大容量容性负载开关操作、电网断电上电操作、电网高压侧接地故障转移过电压等。TOV过电压对压敏电阻的危害很大，因为即使是零点几秒的过电压，也会在压敏电阻上面产生极大的工频电流热量，比如对于510VDC的压敏电阻来说，过电压幅度为480VAC(10Ω内阻)的故障电压加载1秒钟，其在压敏电阻上产生的热量高达800焦耳。这个热量水平已经比10D511K压敏电阻的标称最大能量耐受值(通常为70～80J) 高出10倍，因此10D511K压敏电阻在受到480VAC(10Ω内阻)1S钟的TOV 冲击下，压敏电阻阀片将会产生过温型烧穿短路，如果没有串联合适的断路脱离装置，压敏电阻的包封层将会被高温烘烤冒烟，甚至起火燃烧。

在“三合一复合防护模块”中，热敏电阻的阀片与压敏电阻的阀片是背靠背贴合焊接在一起的，如果在TOV冲击下压敏阀片的温度上升达到热敏电阻的动作温度，那么热敏电阻的阻值将以“指数规律”急剧增长，从而快速抑制流过“三合一复合防护模块”的工频电流，最终使残余电流维持在几mA的水平，在这个残余电流下，电流发热量与模块散发的热量达到平衡，模块停止温升，整个防雷模块的温度被有效控制在300℃以下，这样就充分避免了压敏阀片温度触及其危险的“晶相转变”温区(通常在500～600℃)，保障了压敏电阻在TOV冲击下的安全性。当TOV过去之后，防护模块的温度会逐渐降低，最终回复到常态温度继续工作。

可见“三合一”防护模块彻底解决了普通压敏电阻在TOV冲击下容易烧穿短路失效的顽疾。

3、过压防护模块的在线服役寿命显著提高。

在压敏电阻单独使用的情况下，由于要兼顾雷击残压水平，压敏电阻的动作电压取值往往仅仅比电网峰值电压高10～20％，即压敏电阻的“荷电率”系数往往高达0.8～0.9，在这么高的加载电压情况下，当电网电压波动升高的时候，流过压敏电阻的漏电流将快速增加，增加的漏电流使压敏阀片温度升高，由于压敏电阻陶瓷粉料普遍具有“负温度系数”的特性，温度上升使压敏电阻动作电压降低，进而使漏电流增大，温度越高，漏电流越大，如此恶性循环，时间较长之后最终导致压敏阀片的温度逐渐达到损毁温度，使压敏电阻被高温烧穿短路失效。

而“三合一复合防护模块”的压敏阀片是串联了TSS管之后才接入电网的，只要压敏阀片的动作电压与TSS管的阻断电压之和一直高于电网的峰值电压，就不会有漏电流流过压敏阀片，因此在电网电压小于防护模块的最大运行电压的情况下，压敏阀片的“荷电率”极低，压敏电阻上面几乎没有电压应力，其寿命自然得到了大幅度延长。

因此整个“三合一复合防护模块”的在线服役寿命只取决于其雷击脉冲寿命与TOV冲击寿命，不象单个压敏电阻15那样还要受到“长期荷电应力”与“漏电流烘烤效应”的负面影响，因此本防护模块的在线服役寿命得到了显著提高。

另外，“三合一复合防护模块”与传统的“防雷电路”在结构上的最大差别在于，复合防护模块的三个部件并非如传统防雷电路那样采用相互独立的“分立式元件”简单地在电气上连通在一起，而是通过“背靠背直接热传导”的方式，将热敏阀片与压敏阀片与TSS管以“背靠背”的方式紧包无缝地焊接在一起，最大程度地减小热量在两个阀片之间传导的“热阻”，使三个部件形成一个优良的热的导体，因此可以充分利用这三个元件各自的非线性特点进行交互保护，从而具备如下的保护功能：

利用热敏电阻的阻值随温度升高而呈现指数跃迁的热敏感特性，将热敏阀片与压敏阀片紧密的贴合焊接在一起，就可以控制流过压敏电阻的电流持续时间，抑制压敏阀片的温度升高幅度，防止压敏电阻在工频电流作用下进入其“破坏温区”，保护压敏电阻不被过温损坏；

利用压敏电阻两端压降随电流增加而增加的钳位特性，将压敏电阻串联到 TSS管上，就可以抑制雷击过后的“跟随工频续流”的幅度，保护TSS管，使其免受过大的工频电流冲击而损毁；

利用TSS管在阻断电压之下漏电流极低的特点，将TSS管与压敏电阻串联，可以阻止正常工况条件下电网漏电流的产生，大幅降低压敏电阻的荷电应力，有效地延长压敏电阻的在线服役寿命；

当电网TOV峰值电压超过防护模块的最大运行电压的时候，流过压敏阀片的工频电流使压敏阀片产生大量的热量，此热量同时对紧贴着压敏阀片的热敏阀片进行快速加热，使热敏阀片的阻值产生快速跃升，迅速将流过防护模块的工频电流降低到毫安级别的安全水平，阻止了防护模块温度的持续攀升，防止防护模块自身被高温损坏。

“三合一复合防护模块”与传统的“防雷模块”在功能上的最大差别在于，复合防护模块除了具备瞬态雷击过压防护功能，还具备独特的“电网工频过压防护”功能：它可以将来自电网的暂态或者连续的工频过电压抑制到一个安全的幅值之下再输出给后级电源，有效保护电源电路中的电压敏感元器件(如高压储能电容、半导体开关器件等)。而传统的“防雷模块”是不具备“连续工频过压”耐受能力的，在连续的超过其动作电压1.2倍的电网峰值电压作用下，压敏电阻15将很快过温损毁。因此说“三合一复合防护模块”的“电网工频过压防护”功能相对于传统防雷方案来说是一种创新性的防护功能，这个功能使用电设备以很低的成本实现了对电网异常过电压的防护，增强了设备对电网波动的适应性，提高了设备的安全性。

“三合一复合防护模块”与传统的“防雷模块”在防雷性能上的最大差别在于，“三合一复合防护模块”具有比传统防雷模块低得多的雷击残压水平，它属于真正意义上的“超低残压”的防雷模块。通过在压敏阀片之下串联具有稳定阻断电压特性的TSS开关型器件，可以让压敏电阻15动作电压的选型摆脱传统的压敏电阻15所受到的“荷电率”因素的制约，使其动作电压可以大幅度降低 (相对于传统防雷电路其最高降幅可达50％)，为有效降低模块的雷击残压水平创造了必要的条件，因为压敏阀片动作电压的大幅降低，使整个防护模块的输出雷击残压水平也相应地降低了同样的幅度(最大降幅达到50％)，使复合防护模块的雷击“残压比”由传统电路的2.2水平一下降低到了1.2的水平，雷击残的压降低非常有效而且降低的幅度非常可观。

利用“热敏+压敏”复合元件的快速过温限流特性，有效快速地遮断了复合模块在雷击过后的跟随工频续流，彻底消除由于压敏阀片的动作电压大幅度降低之后存在的工频续流风险，保障复合防护模块自身在最大运行电压下长期工作的安全性与可靠性。

创造性地将TSS半导体闸流管引入到交流端口的防雷设计当中，形成“压敏电阻15钳位元件串联TSS开关器件”的混合防雷电路，巧妙利用TSS管的“电流过零即关断的特性”，将雷击脉冲之后形成的跟随工频续流的持续时间控制在 10毫秒之内，使雷击之后的工频续流做到可控而且安全。

由于TSS管导通后的两端压降很低(约5VDC)，在工频电流冲击下，TSS 管的电功率较低，其发热量远远小于与之串联的压敏阀片，TSS管对热敏阀片的加热效应相对于压敏阀片来说低得多，因此即使将TSS管从复合防护模块中单独移出来作为独立的个体与“热敏+压敏复合元件”进行电气连接，也能够达到三个器件背靠背焊接在一起的复合防护模块相近的功能。但是“热敏压敏复合元件”与TSS管分离后进行电气连接的应用电路，其工作原理甚至是元器件的选型都与“三合一复合防护模块”相类同，因此依然属于本专利的保护范围。

通过压敏电阻串联TSS管的连接方式，开创性地将压敏电阻的动作电压大幅度地降低50％，在不降低防护模块的工频耐受水平情况下，有效地将雷击残压水平降低了45％，开创了一种可靠的、能够满足超低雷击残压水平的设计路径。

将复合防护模块中的“压敏电阻动作电压”与“TSS阻断电压”之和选取在 450VDC之下，使防护模块在受到高于320VAC的电网连续过电压冲击的时候，先将电网输出电压钳位在480VDC以下再输出给电源的高压整流器，可以有效地保护设备电源中的450VDC高压储能电容，开创了一种经济实惠的、可以实现电网连续工频过电压保护功能的技术路径。

此外，请参阅图1，还提供了一种用电设备，具有火线输入端子Li、零线输入端子N和负载电路50，还包括上述的过压防护模块10，过压防护模块10 的输入引脚11、输出引脚12和公共引脚13顺次分别与火线输入端子Li、负载电路50和零线输入端子N电气连接。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种过压防护模块，其特征在于，包括固体放电管、压敏电阻与正温度系数的热敏电阻，所述热敏电阻的阀片和所述压敏电阻的阀片均具有两个相对的表面电极，其中：

所述热敏电阻阀片的第一表面电极与所述压敏电阻阀片的第一表面电极紧贴并以高导热导电物质电气连接，且引出模块的输出引脚；所述热敏电阻阀片的第二表面电极作为模块的输入引脚；所述固体放电管的第一电极与所述压敏电阻阀片的第二表面电极电气连接，所述固体放电管的第二电极作为模块的公共引脚。

2.如权利要求1所述的过压防护模块，其特征在于，还包括一电容器，所述电容器与所述压敏电阻并联电气连接。

3.如权利要求1所述的过压防护模块，其特征在于，还包括高导热包封层，所述高导热包封层将所述固体放电管、压敏电阻和热敏电阻包封在内。

4.如权利要求3所述的过压防护模块，其特征在于，所述固体放电管的第一电极与所述压敏电阻阀片的第二表面电极电气连接，且所述固体放电管紧贴于所述压敏电阻阀片的第二表面电极。

5.如权利要求1所述的过压防护模块，其特征在于，还包括高导热包封层和一金属引出电极，所述高导热包封层将所述压敏电阻和热敏电阻包封在内，所述金属引出电极与所述压敏电阻阀片的第二表面电极电气连接且，至少部分外露于所述高导热包封层。

6.如权利要求5所述的过压防护模块，其特征在于，所述固体放电管的第一电极与所述金属引出电极的外露部分电气连接。

7.如权利要求3或5所述的过压防护模块，其特征在于，所述高导热包封层为有机硅树脂层。

8.如权利要求1所述的过压防护模块，其特征在于，所述输出引脚位于所述热敏电阻阀片的第一表面电极与所述压敏电阻阀片的第一表面电极之间的部分的为扁平状。

9.如权利要求1所述的过压防护模块，其特征在于，所述固体放电管为TSS管。

10.一种用电设备，具有火线输入端子、零线输入端子和负载电路，其特征在于，还包括权利要求1至9任一项所述的过压防护模块，其中，所述过压防护模块的输入引脚、输出引脚和公共引脚顺次分别与所述火线输入端子、负载电路和零线输入端子电气连接。