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瞬态过压问题的本源 危害综述 以浪涌电压形式出现的电气瞬态现象一直存在于配电系统中，而在半导体器件应用之前，电 气瞬态现象没被重视。 1961 年，美国贝尔实验室首次研究了半导体在雷击中的易损性。[1]稍后的一篇报告尝试确 定了特定的半导体在静电放电还没有造成潜在或灾难性损坏的情况下，能够吸收的能量的数 值。[2]尽管已经有了这些早期的警告，但是直到20 世纪70 年代后期，业界才开始圆满地 处理这个问题。 所有的电气和电子设备都可能被电压瞬态过程损坏。不同之处是在损坏发生之前，它们所能 够吸收的能量大小。由于许多现代半导体器件，比如低压 MOSFET 以及集成电路(IC)，可 能被只超过10 伏(V)的电压波动损坏，因此它们在无保护环境中的存活性很差。 在许多情况下，随着半导体器件的演进，它们的耐用性下降了。生产更快更小的器件的趋势， 以及MOSFET 和砷化镓 FET 技术的广泛应用增加了易损性。高阻抗输入和小的结尺寸限 制了这些器件吸收能量和传导大电流的能力。因此，需要使用专门用来应对这些危害的器件 来保护这些脆弱的电子元件。 选择恰当的保护方法应当建立在对过压危害潜在来源进行仔细调查的基础之上。不同的应用 和环境会带来不同的过压来源。这些来源可能是外来的，也可能是电路内部的。 雷电 在任何给定时刻，世界上都有 1,800 场雷雨正在发生，每秒大约有 100 次雷击。在美国， 雷电每年会造成大约 150 人死亡和250 人受伤。在雷电发生频率呈现平均水平的平坦地形 上，每座 300 英尺高的建筑物平均每年会被击中一次。每座 1,200 英尺的建筑物，比如广 播或者电视塔，每年会被击中20 次，每次雷击通常会产生6 亿伏的高压。 每个从云层到地面的闪电实际上包含了在60 毫秒间隔内发生的3 到5 次独立的雷击，第一 次雷击的峰值电流大约为 2 万安培，后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后，可能 会有大约150 安培的连续电流，持续时间达100 毫秒。 经测量，这些雷击的上升时间大约为200 纳秒或者更快。通过2 万安培和200 纳秒，不难 计算得到dI/dt的值是每秒1011安培！如此大的数值意味着瞬态保护电流必须使用射频（RF） 设计技术，特别是需要考虑导体的寄生电感和电容。 尽管这个峰值能量特别引人注目，但实际上是持续时间较长的电流携带了云层和地面之间传 输的大部分电荷。 经过多次现场测量建立的典型雷电模型如图1 所示。 图1 带有以及不带有持续电流情况下的典型雷电模型 根据很多条件的不同，在雷击中可能有也可能没有持续电流。严格的雷电模型也建立起来， 它可以给出在非常靠近雷击的位置在最坏情况下的预期强度的读数。图2 显示了这个模型。 注意，在多个时间段内出现了持续电流，大大加剧了预期的损坏。严重的雷击很可能点燃易 燃性材料。当然，被雷电直接击中是非常严重的事情而且很可能是不可恢复的。事实上，一 定距离之外雷击的电场强度可能已经足够给半导体设备造成灾难性或者潜在损坏。试图保护 设备不受附近雷击的损坏比指望逃过直接的雷击是更加现实际的冒险。 图2 严格的雷电模型 考虑到这一点，重要的是能够将感应电压定量表示为与雷击地点之间距离的函数。如图 3 所示，这些感应电压可以很高，这解释了为什么相对较远的闪电也会破坏设备。 图3 附近雷击引起的感应电压 掩埋电缆无法提供很好的保护，因为地球对雷电的辐射电场几乎是透明的。事实上，地下的 电线比架空电缆更容易遭雷击。[3] 针对这些危害进行的防护是有线通信必须要做的事情。初级保护设备，比如炭块和气体放电 管(GDT)，在历史上提供了一定程度的安全性。次级和板级保护成为包括晶闸管浪涌保护器 件（TSPD ）在内的多种半导体器件的研究领域。它们被用在连接到电话总局线卡或者调制 解调器等设备的长距离线路的末端。TSPD 保护器件和技术将在这份文档后面的章节中进行 详细讨论。 电源电路中的负载转换 感应转换瞬态过程发生在电抗性负载（比如电动机、螺线管或者继电器线圈）被关闭的时候。 快速消失的磁场在电抗性负载线圈的两端感生出了瞬态电压，这个电压可以表示为： V=-L(dI/dt) 其中L 是电感，以亨利(H)为单位，dI/dt 是电流的变化率，单位是安培/秒。 这样的瞬态可能是由电源故障，开关的正常开启或者负载故障引起的。与这个瞬态有关的能 量是电源中断时存储在电感中的能量，也就是： ω = 1/2 Li2 其中ω是能量，单位是焦耳；I 是电源中断时的瞬时电流，单位是安培。 例如，当油炉的点火系统被点燃，可能