气体放电管在电路保护中的应用设计

文章来源：公众号【JLE电路保护与器件】

气体放电管（GDT，Gas Plasma Arrester）是利用气体放电机制来实现对雷击浪涌过电压的抑制，一般应用于低压电气、电子设备或系统的第一级、第二级保护场合，以起到泄放雷电冲击电流、限制过电压的作用。在传真机、网络调制解调器、移动基站、有线电视电缆等雷击浪涌保护中广泛应用。

气体放电管如何在电路的保护中进行设计和使用，一般可以从以下几个方面考虑。

一、气体放电管选择设计的一般过程

在设计防雷击电涌保护电路时，由于气体放电管的直流击穿电压值和冲击击穿电压值存在一定的波动，对气体放电管参数的选择需要考虑合适裕量、敏感电路的安全电压等主要因素。具体可先根据被保护设备的工作电压，初步选取直流击穿电压参数；再根据雷击电涌的强度，结合敏感电路的耐压值，选取气体放电管的容量；最后，再校核续流切断能力。

具体来讲，对于应用在交流线路上的气体放电管，在线路最大正常运行电压时不能击穿动作，则它的直流击穿电压下限值应满足

min（udc）≥1.25×1.15Up （1-1）

式中，min（udc）表示取直流击穿电压的下限值；Up为交流线路正常运行电压的峰值；系数1.15是考虑到电源电压的允许波动为15%；系数1.25是25%的安全裕量。

通常气体放电管直流击穿电压下限为标称值的80%，故放电管的标称直流击穿电压值应符合

（1-2）

对于应用在直流线路上的气体放电管，其标称直流击穿电压选择与前述过程相似，也可由式（1-2）确定，这时Up为直流正常工作电压。

在初步选定了放电管的直流击穿电压后，可根据被保护设备可能承受的最大雷电电涌情况，估算放电管的冲击击穿电压，如对电源线保护，可取1kV/μs估算；对于无屏蔽通信或信号线路保护，可取500V/μs估算；对于屏蔽通信或信号线路保护，可取100V/μs估算。此外，应使该电压低于被保护电子设备的耐受水平。当然，以上参数选择时会存在相互冲突的地方。比如，将放电管的直流击穿电压选得高一些，有利于保证设备平时正常工作，但其冲击放电电压也高，就容易超出被保护设备的耐受水平。因此，放电管直流击穿电压需要折中选择。

最后，应校核放电管的冲击电流容量是否满足需要。如无误，则可进行具体保护电路结构的设计了。

二、共模及差模雷击浪涌瞬态过电压的保护设计

两极、三极气体放电管有各自的特点，分别适用于不同的场合。两极放电管主要用于线-线间差模性质的瞬态过电压的保护，而三极气体放电管主要适用于线-地间共模性质的瞬态过电压的保护。图1所示为针对常见三芯一端口设备的几种抑制电路设计。

图1 气体放电管差/共模抑制设计

图1 气体放电管差/共模抑制设计（续）

图1（a）使用两极气体放电管即可将线-线间的差模性质的过电压有效抑制，但该设计对线-地间共模形式的瞬态过电压则几乎没有抑制能力。图1（b）使用三极气体放电管的主要原因是三极气体放电管的L1-G、L2-G两部分响应时间参数差异小，抑制共模过电压效果好，同时还有体积小的优点。当然，该电路在抑制差模形式的瞬态过电压时，其击穿电压及通态电压也均为该管电极-地击穿电压和通态电压的两倍，此电压有可能使被保护电子设备承受不了，从而造成损坏或故障。图1（c）则是使用2个两极气体放电管来抑制共模瞬态过电压的设计。该电路由于不能保证两个两极气体放电管响应时间、熄弧电流等特性参数完全一致，当快速共模形式的瞬态过电压施加时，两个管子会先后导通，导致线路的线-线间出现瞬态的差模过电压波形，有可能危害后续被保护电路。类似地，在过电流熄弧时，同样会由于两放电管的关断时间不一致而产生差模过电压，如图2所示。此外，该电路在抑制差模形式的瞬态过电压时，也同样存在其击穿电压及通态电压均为该管电极-地击穿电压和通态电压的两倍的问题。由于实际中，雷击浪涌瞬态电压两种模态都存在，因此可将差模抑制两极放电管和共模抑制三极放电管结合起来，即可实现全面、有效的保护，如图1（d）所示。

三、跟随电流切断设计

如气体放电管与线缆工作电压匹配不好，会产生过大或持续时间长的跟随电流问题，可采用串联电压钳位器件或施加过电流保护器件来解决。

（1）气体放电管串联压敏电阻

将气体放电管与低压压敏电阻串联起来，就可以结合两者的优点，克服掉两者各自的缺点，实现良好、可靠的保护，如图3所示。压敏电阻MOV为电压钳位型过电压抑制器件，但其寄生电容容易做得较大，故在正常交流工作电压下易产生较大的漏电流，形成热老化，不利于保护电路的长期可靠运行。其与电压开关型的气体放电管串联后，因气体放电管正常工作电压下绝缘电阻大、寄生电容小，故串联后漏电流极小，避免热老化。当过电压出现时，气体放电管一般会先导通，由于气体放电管导通后电压降很低，过电压会立即加在压敏电阻上，使压敏电阻也迅速导通。由于使用的为低压压敏电阻，放电管和压敏电阻串联后的导通压降还是足够低，能够满足后续敏感电路的耐压要求。当过电压消弱后，只要线路正常工作电压降到压敏电阻钳位电压以下，整个串联支路的电流就会降到很小，使气体放电管熄弧而关断。

图2 两气体放电管造成的共模/差模转换现象

图3 气体放电管与压敏电阻串联

（2）气体放电管与过电流保护器件配合

图4 气体放电管与熔断器配合设计

利用过电流保护器件切断气体放电管的跟随电流，也可以实现对气体放电管的保护。图4所示为串联合适电流容量熔断器的跟随电流切断电路，图中有两个熔断器，F1在主电路上，F2串联在放电管支路上，且F1与F2的电流容量之比为1.6∶1。这样，当雷击浪涌过后，如果气体放电管长时间不熄弧，F2即过热熔断，强制关断气体放电管，同时主电路的F1还保持正常，整个后续敏感电路也一直保持正常供电。可以看出，这种方式也有一个问题，即F2熔断后需要及时更换，否则下次雷击电涌过电压来时，就会出现气体放电管不动作，从而导致敏感设备损坏。在F1处利用继电器也可实现类似功能，具体设计不再详述。

除上述设计外，在气体放电管过电压保护电路硬件设计时，还需要注意尽可能减小气体放电管支路各引线长度，以更低地限制过电压峰值。此外，气体放电管击穿后，会形成大的冲击电流，该电流在线路周围及形成较强的脉冲磁场，并有可能通过磁耦合造成敏感电路的干扰。通过调整线路方位、敏感电路方位以及施加屏蔽等措施，可以避免或减弱磁场的影响。

（3）新型气体放电管组合器件

气体放电管存在响应时间受过电压上升速率影响较大、过电压抑制残余尖峰高的问题。如果将气体放电管和快速瞬变抑制二极管（TVS，详见5.3节相关内容）并联组合起来，由于TVS二极管响应速度很快，则可以避免上述问题。图5-12（a）所示为Littefuse公司生产的这种新型结构的三极放电管原理示意图，图5-12（b）所示为实物图。图5-12（c）所示为器件的伏安特性曲线，可以看出，TVS管的击穿电压略微低于气体放电管击穿电压。图5-12（d）所示为器件的冲击响应曲线，可见响应时间大大改善，对陡上升速率的过电压抑制也稳定。该器件抑制响应快、通流容量大，适用于电话交换中心等场合。

图5 新型结构三极放电管组合器件