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高压TVS二极管瞬态电压抑制
在电子电路设计领域，保护敏感元件免受突发、不可预测的电压浪涌的影响，仍然是工程师们最为关注的问题。
用于瞬态电压抑制的高压TVS二极管
工程答案
高压瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管通过在皮秒级内钳位电压尖峰来保护敏感电路，从而将破坏性的浪涌能量从关键元件转移开。它们基于雪崩击穿原理工作，在正常工作期间阻抗极低，一旦瞬态电压超过击穿阈值，便会立即切换到低阻抗导通状态。 高压二极管堆 将相同的雪崩技术组合成串联电路，使耐压范围远远超过单芯片 TVS 的 5-600 V 范围。
- 钳位电压响应时间小于 1 ns，可确保防止即使是最快的 ESD 和雷击引起的瞬态干扰。
- 峰值脉冲功率额定值从 600 W 到 30 kW（10/1000 微秒波形）涵盖工业、汽车和电信浪涌环境。
- 钳位电压与隔离电压的比值越低，越能最大限度地减少浪涌事件期间下游半导体所承受的压力。
抽象
TVS二极管是抵御破坏性瞬态电压冲击的最后一道防线，它保护电路免受冲击。该器件是一个单结反向雪崩工作电路，其唯一作用是将电压钳位在受保护半导体器件可承受的范围内，然后吸收或转移瞬态电压的能量。实际上，设计决策是一系列权衡取舍：截止电压必须高于正常工作电压，钳位电压必须低于受保护器件的绝对最大额定值，峰值脉冲功率必须覆盖端口可能遇到的最恶劣波形——符合IEC 61000-4-2标准的静电放电（ESD）或符合IEC 61000-4-5标准的组合浪涌。本文量化了这些选择，描述了现场运行中出现的故障模式，并解释了在单个TVS芯片不足以应对高压冲击的情况下，如何配置高压电压抑制（HVC）产品。
1. 应用背景：电压尖峰的物理特性
在任何与外部线路、电力线或物理环境连接的电子系统中，瞬态电压事件都是不可避免的。架空电缆上的雷击可以通过耦合阻抗注入数千伏的电压；人体接触产生的静电放电可以在不到一纳秒的时间内产生千伏级的电压；而继电器、螺线管和电机等感性负载切换时产生的反电动势会产生远超现代半导体绝对最大额定值的尖峰电压。如果没有有效的抑制机制，这些事件会导致器件立即损坏或逐渐退化，从而缩短产品寿命。令人惊讶的是，其中涉及的能量（以焦耳计）非常小——损坏并非来自能量，而是来自电压，因为薄薄的栅极氧化层在几伏的过压下就会击穿。
对于一个持续时间为 8/20 微秒、峰值电流为 500 安培、钳位电压为 300 伏的浪涌电流，其吸收的能量约为几焦耳——对于电源而言微不足道，但对于无法耗散该能量的结而言却是致命的。TVS 二极管的作用正是以可控雪崩的方式吸收该能量，并在吸收过程中将电压维持在安全水平。
三、技术要求
2.1 耐压选择。 截止（工作）电压 V_wm 是 TVS 在不导通的情况下所能承受的最大连续电压。它必须能够满足电路最坏情况下的工作电压要求，包括纹波和容差：
设置过低，器件在正常工作期间会导通，持续耗散功率，并在数周内失效。设置过高，钳位电压会成比例升高，保护窗口会缩小。正确的做法是使用支架：高于电源轨，低于被保护器件的额定值。
2.2 夹紧系数和保护窗口。 对于任何瞬态电压抑制器 (TVS) 而言，关键指标是在特定峰值脉冲电流下测得的钳位电压。性能优异的器件能够保持较低的 V_c/V_br 比值，这意味着在浪涌期间，被保护电路所承受的电压远低于其绝对最大额定值：
对于 V_br = 6.4 V 的 5 V 数字电源轨，典型的 TVS 电路会在接近 10 V 时进行钳位；1.8 V 的电压差（相对于硅片的绝对最大值）就是全部的保护能力。同样的物理原理也适用于 600 V 耐压器件，并且必须在实际峰值脉冲电流下验证该比率，而不是在 1 mA 测试点下验证。
2.3 峰值脉冲功率和波形形状。 如果没有波形信息，TVS额定值毫无意义。业界通常参考两种标准波形——8/20 µs 用于浪涌电流，10/1000 µs 用于峰值脉冲功率——同一器件的额定值必须随着脉冲宽度的增加而降低：
功率为 600 W (10/1000 µs) 的器件可以吸收更大的 8/20 µs 脉冲，因为能量与功率随时间积分成正比。系统设计人员必须使瞬态电压源 (TVS) 与适用的 IEC 61000 测试所定义的威胁等级相匹配——静电放电 (ESD) 测试采用 IEC 61000-4-2 标准，1.2/50 µs 至 8/20 µs 组合波测试采用 IEC 61000-4-5 标准。
2.4 泄漏和热稳定性。 在耐压条件下，漏电流通常为 1–100 µA，这在功率敏感电路中至关重要，并且会随温度急剧上升。雪崩结还必须能够承受反复冲击而不累积损伤，因此当系统可能出现反复浪涌时，实际的降额度应为 40–50%。
图 1 — TVS 在一纳秒内将瞬态电压钳位在 V_c，在脉冲宽度内保持该电压水平，然后恢复到高阻抗状态，因此正常运行不受影响。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛苦 1 — 电路板在第一次雷击中损坏。 “我们通过了静电放电测试，但随后在现场遭遇雷暴，损失了三台设备。” TVS 设备最初是为 8/20 µs 静电放电波形选择的，但真正的威胁是能量更高的 10/1000 µs 交叉放电事件。尽管设备钳位正确，但仍然损坏——其额定值对应的波形并不匹配。重新设计钳位电路，使其能够承受 IEC 61000-4-5 组合波形，并降低 40% 的能量，才解决了这个问题。
痛点 2 — 保护措施虽然有效，但漏液会损坏电池。 “一个 100 µA 的 TVS 串联在 48 V 电池轨上，一个月内就耗尽了电池组的电量。” 漏电电压下的漏电流，乘以数千个单元，就会变成实际的系统负载。解决方法是使用匹配的低漏电流电池组，并将隔离电压设置为比工作电压高 20%，这样即使在工作温度下，结点也能保持完全断开状态。
问题 3 — 钳位电压对于受保护的栅极来说太高了。 “我们的IGBT栅极驱动器在600V母线上一直出现故障，而TVS数据手册上的V_c值看起来没问题。”数据手册上的V_c是在1mA电流下测量的；在实际的I_pp电流下，动态电阻使得钳位电压远高于栅极额定值。解决方案是…… HVD快速恢复堆栈 在应用峰值脉冲电流下验证 V_c，与栅极的绝对最大值留出 30% 的裕量。
4. 选择参数
| 参数 | 典型范围 | HVC 建议 |
|---|---|---|
| 截止电压（V_wm） | 5V 至 600V（单芯片）；最高 150kV（堆叠式） | 高于最大工作电压 10% |
| 击穿电压（V_br） | 6.4 V至667 V | 容差范围：5%或10% |
| 钳位电压 (V_c) | 10V 至 1000V @ I_pp | 必须低于受保护的 IC 绝对最大值 |
| 峰值脉冲功率 | 600 瓦至 30 千瓦 | 每 10/1000 微秒波形 |
| 峰值脉冲电流 (I_pp) | 3 A至300 A | 符合IEC 61000标准的威胁等级 |
| 泄漏电流 | 1 微安至 100 微安 @ V_wm | 对于功率敏感型设计而言，数值越低越好。 |
防护技术对比。 TVS二极管并不是唯一的钳位技术，每种技术都在速度与能量的平衡中占据不同的位置：
| 技术 | 响应 | 能量处理 | 泄漏量 | 典型角色 |
|---|---|---|---|---|
| TVS二极管（雪崩二极管） | <1 ns | 600 瓦 – 30 千瓦 | 微安级 | 快速静电放电钳位 + 浪涌钳位 |
| 金属氧化物压敏电阻（MOV） | <25 ns | 非常高（千焦） | 年龄较高 | 交流电源，雷击主电源 |
| 气体放电管 | 微秒（慢） | 很高 | 直到火花爆发前都没有 | 闪电第一阶段 |
| HVD二极管堆 | ns 级 | 可扩展至 150 kV | 匹配，低 | 高压母线，倍增器保护 |
甄选指南。 首先从威胁入手：确定端口必须承受的标准和波形，计算钳位节点处的峰值电压和电流，并选择一个器件，使其在该峰值电流 (I_pp) 下的钳位电压 (V_c) 至少比受保护器件的绝对最大值低 20%–30%。然后验证最坏情况下的隔离漏电，如果浪涌重复出现，则将峰值脉冲功率降低 40%–50%。对于电压高于 600V 的电源轨（例如高压直流母线、倍压器输出、电机驱动链路），串联雪崩保险丝堆是保持隔离漏电和钳位比均符合规格的唯一方法。
5. HVC解决方案
① 将 TVS 额定电压扩展至 150 kV 的雪崩堆。 HVC HVD系列 二极管采用与TVS相同的雪崩击穿物理原理，串联连接且反向特性匹配，从而使电压均匀分配到每个结上。耐压等级从单个芯片的600V提升至10-150kV，同时保持了亚纳秒级响应和低钳位比。
② 低泄漏、匹配的电源轨组件。 堆叠电路中的漏电主要由最差的连接点决定，因此HVC会匹配紧密分组内的连接点，并在工作温度下验证漏电电流I_leak。电池组、计量电路和长寿命工业电子器件保持其静态电流预算，而不是将其用于抑制器。
③ 采用电容器和电阻器协同设计的多级保护。 没有哪一款器件能够同时完美应对快速静电放电和高能闪电。HVC 将二极管钳位与 N4700陶瓷圆片电容器 用于滤波和解耦以及 HVR电阻器 对于电流限制和阻尼，构建一个完整的前端，能够经受住完整的 IEC 61000 威胁测试。
6. 案例前后对比
| 参数 | 之前（单芯片TVS） | （HVC HVD 堆栈 + 支持）之后 |
|---|---|---|
| 耐压电压 | 每个设备最大电压为 600 伏 | 每堆20千伏 |
| 夹持边缘至绝对最大值 | < 5%（在 1 mA 电流下测量） | 30%（以实际 I_pp 测量） |
| 85℃时的泄漏 | 100μA | < 10 µA 匹配 |
| 符合 IEC 61000-4-5 4 级标准 | 第三次尝试失败 | 传球100次 |
案例讨论。 一家工业电机驱动器制造商的现场单元因20 kV直流链路上的雷击浪涌而损坏。原有的单芯片TVS钳位过晚且钳位过高，其漏电流耗尽了备用电源。更换为额定电压为20 kV的HVD雪崩保险丝堆，并辅以HVR限流电阻和N4700去耦片后，钳位电压降低了30%，漏电流降低了一个数量级，并且连续通过了100次IEC 61000-4-5 4级冲击测试，参数未发生偏移。该保险丝堆的改进使得电路图上的保护电路与实际测试台上正常工作的保护电路之间实现了质的飞跃。
7. 设计要点
- 将 TVS 尽可能靠近威胁入口点放置；每毫米的走线都会增加电感，从而减慢钳位速度。
- 验证 V_c 时，应在实际 I_pp 处进行，而不是在 1 mA 数据手册测试点处进行——动态电阻很重要。
- 将 V_wm 设置为比最坏情况下的工作电压高至少 10%，包括纹波和温度。
- 当产品使用寿命期间反复出现浪涌时，峰值脉冲功率应降低 40-50%。
- 对于高于 600 V 的高压轨，使用经过验证的电压共享的匹配雪崩堆。
- 将二极管与上游电阻器和滤波电容器组合起来，即可构成完整的 IEC 61000 前端。
- 使用指定的波形（静电放电测试采用 IEC 61000-4-2 波形，浪涌测试采用 IEC 61000-4-5 波形）进行测试，并在每个级别之后检查参数偏移。
8。 参考
- IEC 61000-4-2:2008， 电磁兼容性 (EMC) — 第 4-2 部分：测试和测量技术 — 静电放电抗扰度测试. 瑞士日内瓦：IEC。
- IEC 61000-4-5:2014， 电磁兼容性 (EMC) — 第 4-5 部分：测试和测量技术 — 浪涌抗扰度测试. 瑞士日内瓦：IEC。
- Vishay Intertechnology 瞬态电压抑制器 (TVS) — 应用说明和数据手册美国宾夕法尼亚州马尔文：Vishay。
- SM Sze 和 KK Ng， 半导体器件物理学，第三版。美国新泽西州霍博肯：Wiley，2007 年。
- BJ Baliga， 功率半导体器件基础知识，第 2 版。瑞士查姆：施普林格出版社，2019 年。
- 王兆安、刘进军主编，《电力电子技术》(电力电子技术)，第5版。 北京: 机械工业出版社, 2009.