本發(fā)明涉及電源過壓保護技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種過壓防護模塊及用電設(shè)備。

背景技術(shù)：

雷擊過壓經(jīng)常以線纜傳導(dǎo)或者電磁感應(yīng)的方式由低壓供電線纜侵入設(shè)備的電源端口，對電源部分的元器件造成過壓過流沖擊，因此幾乎所有用電設(shè)備的電源端口都采取了一定程度的防雷措施，抵御這種雷擊過壓的威脅。最典型的防雷措施是采用一個氧化鋅壓敏電阻(metaloxidevaristor，以下稱：mov)并聯(lián)在電源口兩端，以旁路泄放雷擊電流，同時利用壓敏電阻的非線性i-v特性抑制雷擊電壓的升高，保護電源端口的元器件。這種簡單的防雷方式對于多數(shù)設(shè)備來說是適用、安全的，但是并非所有設(shè)備都可以采用如此簡單的防雷方式，因為電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的電源類型對瞬態(tài)過壓的耐受水平差異很大，比如取消了高壓儲能電容的各種升壓降壓電路對雷擊過壓就相當(dāng)敏感，需要采用復(fù)雜的兩級甚至三級防雷電路有效地抑制雷擊殘余電壓。

傳統(tǒng)的防雷電路只采用單一種類的鉗位型防雷元件(即壓敏電阻)進行防護，由于壓敏電阻的直流動作電壓受到設(shè)備最大運行電壓的要求與限制，無法隨意降低，因此降低雷擊殘壓的唯一途徑就是減小壓敏電阻的雷擊電流密度，比如增大壓敏電阻的直徑或者增加雷擊防護電路的級數(shù)，都可以降低末級壓敏電阻的雷擊電流密度。但是，對相同動作電壓的壓敏電阻而言，即使將ф10的壓敏電阻更換成ф20的壓敏電阻，其雷擊電流密度也僅僅相差4～5倍(即ф20的壓敏電阻的刷銀面積約為ф10的壓敏電阻刷銀面積的4～5倍)，這種雷擊電流差值所帶來的雷擊殘壓差別很小。比如3kv的1.2/50us雷擊電壓在10d51ik的壓敏電阻上形成的沖擊電流密度約為2ka/cm²,雷擊殘壓約為1000vp；如果將10d511k更換為20d511k，則沖擊電流密度降為500a/cm²,雷擊殘壓將為800vp，也就是說，即使將壓敏電阻的閥片直徑增大1倍，雷擊殘壓也只能降低約20％。因此僅僅降低壓敏電阻的雷擊電流密度，是無法將雷擊殘壓大幅度減小的。

受到設(shè)備最大運行電壓的制約，傳統(tǒng)防雷方案中的壓敏電阻的直流動作電壓不能隨意降低，對于額定工況條件為220vac±30％的設(shè)備而言，防雷壓敏電阻的動作電壓需要大于490vdc，實際應(yīng)用中通常選用510vdc動作電壓的壓敏電阻進行防雷，對常用的小型壓敏電阻10d511k(即直徑為10mm壓敏電壓為510vdc)進行測試，其在不同雷擊電流下的殘壓水平如下表所示：

以上測試表明，采用傳統(tǒng)的單純的壓敏電阻防雷設(shè)計，即使能夠?qū)⒛┘墘好綦娮璧睦讚綦娏饕种频?0～100a的水平，其雷擊殘壓也會達(dá)到800vp以上水平，雷擊殘壓比在1.6～2.0的水平。可見傳統(tǒng)的依靠單純壓敏電阻防雷的方案，對雷擊殘壓制約最大的因素就是壓敏電阻的動作電壓。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種過壓防護模塊，旨在解決傳統(tǒng)的壓敏電阻防雷設(shè)計方案無法解決的壓敏電阻漏電流偏大與壓敏電阻輸出殘壓偏高的對立矛盾的問題。

本發(fā)明提供了一種過壓防護模塊，包括固體放電管、壓敏電阻與正溫度系數(shù)的熱敏電阻，所述熱敏電阻的閥片和所述壓敏電阻的閥片均具有兩個相對的表面電極，其中：

所述熱敏電阻閥片的第一表面電極與所述壓敏電阻閥片的第一表面電極以高導(dǎo)熱導(dǎo)電物質(zhì)電氣連接，并引出模塊的輸出引腳；所述熱敏電阻閥片的第二表面電極作為模塊的輸入引腳；所述固體放電管的第一電極與所述壓敏電阻閥片的第二表面電極電氣連接，所述固體放電管的第二電極作為模塊的公共引腳。

優(yōu)選地，還包括一電容器，所述電容器與所述壓敏電阻并聯(lián)電氣連接。

在一個實施例中，還包括高導(dǎo)熱包封層，所述高導(dǎo)熱包封層將所述固體放電管、壓敏電阻和熱敏電阻包封在內(nèi)。

優(yōu)選地，所述固體放電管的第一電極與所述壓敏電阻閥片的第二表面電極電氣連接，且所述固體放電管緊貼于所述壓敏電阻閥片的第二表面電極。

在另一個實施例中，還包括高導(dǎo)熱包封層和一金屬引出電極，所述高導(dǎo)熱包封層將所述壓敏電阻和熱敏電阻包封在內(nèi)，所述金屬引出電極與所述壓敏電阻閥片的第二表面電極電氣連接且至少部分外露于所述高導(dǎo)熱包封層。

優(yōu)選地，所述固體放電管的第一電極與所述金屬引出電極的外露部分電氣連接。

優(yōu)選地，所述高導(dǎo)熱包封層為有機硅樹脂層。

優(yōu)選地，所述輸出引腳位于所述熱敏電阻閥片的第一表面電極與所述壓敏電阻閥片的第一表面電極之間的部分為扁平狀。

優(yōu)選地，所述固體放電管為tss管(thyristorsurgesuppressor，電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管)。

本發(fā)明還提供了一種用電設(shè)備，具有火線輸入端子、零線輸入端子和負(fù)載電路，包括上述的過壓防護模塊，其中，所述過壓防護模塊的輸入引腳、輸出引腳和公共引腳順次分別與所述火線輸入端子、負(fù)載電路和零線輸入端子電氣連接。

上述的過壓防護模塊摒棄固有的傳統(tǒng)防雷思路，采用新的“鉗位器件”與“開關(guān)器件”混合防護的思維，突破了最大運行電壓對壓敏電阻動作電壓的限制，有效降低雷擊殘壓，給后級敏感的電路提供充分安全的防護水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中過壓防護模塊的應(yīng)用示意圖；

圖2為本發(fā)明第一實施例中過壓防護模塊的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明第一實施例中過壓防護模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明第二實施例中過壓防護模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明第一實施例中“壓敏電阻+放電管”混合型防雷電路結(jié)構(gòu)圖；

圖6為tss管伏安特性曲線圖；

圖7為本發(fā)明第二實施例中過壓防護模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請參閱圖1，在較佳的實施方式中的過壓防護模塊10，其可應(yīng)用在交流用電設(shè)備上，一般設(shè)置在用電設(shè)備(未圖示)的電源端口(未圖示)后端負(fù)載電路50之間，對負(fù)載電路50進行過壓保護。過壓防護模塊10具有電氣連接電源端口火線輸入端子li的輸入引腳11、電氣連接負(fù)載電路50的輸出引腳12和連接電源端口零線輸入端子n的公共引腳13。

具體地，請參閱圖2和3，過壓防護模塊10包括正溫度系數(shù)(positivetemperaturecoefficient，ptc)的熱敏電阻14、壓敏電阻15與固體放電管16，熱敏電阻14的閥片具有兩個相對的表面，并從兩個相對的表面分別引出兩個電極；壓敏電阻15的閥片也具有兩個相對的表面，并也從兩個相對的表面分別引出兩個電極。

其中，熱敏電阻14閥片的第一表面電極與壓敏電阻15閥片的第一表面電極緊貼并以高導(dǎo)熱導(dǎo)電物質(zhì)電氣連接，且引出模塊10的輸出引腳12，輸出引腳12為金屬電極，其與熱敏電阻14閥片的第一表面電極和/或壓敏電阻15閥片的第一表面電極焊接，其中高導(dǎo)熱物質(zhì)17為高含銀量錫膏，如含銀量3.5％以上。熱敏電阻14閥片的第二表面電極作為模塊10的輸入引腳11，其可以引出金屬電極，也可以不引出；固體放電管16的第一電極與壓敏電阻15閥片的第二表面電氣連接(如焊接)，固體放電管16的第二電極作為模塊10的公共引腳13，，其可以引出金屬電極，也可以不引出。形成三個引腳的“三合一復(fù)合防護模塊”。

在一個實施例中，請參閱圖3，過壓防護模塊10利用高導(dǎo)熱密封樹脂將固體放電管16、壓敏電阻15和熱敏電阻14包封在內(nèi),使得輸入引腳11、輸出引腳12和公共引腳13部分外露。如此，全包封的“三合一復(fù)合防護模塊”將熱敏電阻14、壓敏電阻15與固體放電管16三個元件背靠背焊接并包封在一起，使熱量可以在三個元件之間快速傳導(dǎo)，三個元件形成了一個吸收熱量的整體，其“等效熱容量”相對于單個元件來說得到了大幅度提高，因此過壓防護模塊10吸收雷擊脈沖能量的能力得到有效增強。在較大能量的雷擊脈沖作用下，如果過壓防護模塊10吸收的能量使其的溫度超過了熱敏電阻14的動作溫度，熱敏電阻14會的阻值還會快速增大，自動抑制過壓防護模塊10的脈沖電流，使過壓防護模塊10的雷擊溫升被抑制在較低的安全溫度范圍之內(nèi)，也相當(dāng)于增強了雷擊電路的脈沖能量耐受水平。

該實施例中，固體放電管16的第一電極161與壓敏電阻15閥片的第二表面電極電氣連接，具體是焊接的連接方式。且固體放電管16緊貼于壓敏電阻15閥片的第二表面電氣，如果兩者之間有縫隙則將樹脂填充進去，提高兩者之間的熱傳導(dǎo)效率。

優(yōu)選地，熱敏電阻14閥片的表面電極與壓敏電阻15閥片的表面電極由鍍銀層形成，用于提高熱傳導(dǎo)及導(dǎo)電效率。另外，同樣地為提高熱傳導(dǎo)效率，熱敏電阻14閥片的表面電極和壓敏電阻15閥片的表面電極相向正對設(shè)置。為進一步地縮短熱量及導(dǎo)電傳導(dǎo)時間和路徑，將輸出引腳12位于熱敏電阻14閥片的第一表面電極與壓敏電阻15閥片的第一表面電極之間的部分設(shè)置為扁平狀，以縮短兩個閥片之間的距離；當(dāng)然，也可以將輸出引腳12整體設(shè)置為扁平狀。

在另一個實施方式中，請參閱圖2和圖4，對固體放電管16不進行包封，單獨移出來作為獨立的個體與“熱敏壓敏復(fù)合元件”進行電氣連接，部分包封的“三合一復(fù)合防護模塊”，也能夠達(dá)到三個元件背靠背焊接在一起的復(fù)合防護模塊相近的功能。如此，本實施例中，還包括一金屬引出電極151，高導(dǎo)熱包封層18將壓敏電阻15和熱敏電阻14包封在內(nèi)，金屬引出電極151與壓敏電阻15閥片的第二表面電極電氣連接，且至少部分外露于高導(dǎo)熱包封層18，待與固體放電管16的第一電極161電氣連接。需要說明的是，“熱敏壓敏復(fù)合元件”與固體放電管16分離后進行電氣連接的應(yīng)用電路，其工作原理甚至是元器件的選型都與“三合一復(fù)合防護模塊”相類同，因此依然屬于本專利的保護范圍。如此，在該實施例中過壓防護模塊10，固體放電管16的第一電極與壓敏電阻15閥片的第二表面引出的電極焊接。

以下，將對過壓防護模塊10的工作原理進行詳細(xì)分析說明。

傳統(tǒng)防雷電路采用單一的鉗位型壓敏電阻防雷元件，無法解決壓敏電阻漏電流偏大與壓敏電阻輸出殘壓偏高的對立矛盾，必須引入開關(guān)型防雷元件，組成如圖5所示的“鉗位元件串聯(lián)開關(guān)器件”的混合型防雷電路結(jié)構(gòu)，才能在保障壓敏電阻自身安全的基礎(chǔ)上有效地降低雷擊輸出殘壓，給被保護電路提供可靠的雷擊防護水平。

圖5所示的混合防護電路在串入開關(guān)器件z1之后，鉗位壓敏元件(即壓敏電阻)mov(以下稱mov)的動作電壓可以做較大幅度的降低，以達(dá)到大幅度降低混合電路雷擊殘壓的設(shè)計目標(biāo)；為了保證防雷電路的工頻耐受水平不降低，所降低的mov動作電壓的幅度，可以用串聯(lián)的開關(guān)器件z1的“阻斷電壓”來補償，只要保證“鉗位壓敏元件動作電壓”加上“開關(guān)器件阻斷電壓”之和大于預(yù)設(shè)的“最大連續(xù)工作交流電壓的峰值”，就可以達(dá)到設(shè)定的工頻電壓耐受水平，滿足“在不降低最大持續(xù)運行電壓的情況下大幅降低雷擊殘壓”的設(shè)計目標(biāo)。

但是在大幅降鉗位壓敏元件動作電壓的同時，電路的工頻續(xù)流威脅風(fēng)險也同時增大，平衡這兩者關(guān)系的關(guān)鍵在于開關(guān)器件z1的選型及其參數(shù)的確定，因為開關(guān)器件z1的伏安特性決定了混合電路的諸多安全參數(shù)，如直流動作電壓的離散性、最大工頻電壓的耐受水平、雷擊跟隨工頻續(xù)流的遮斷時間等。如果采用傳統(tǒng)常見的開關(guān)型防雷元件氣體放電管(gdt，gasdischargetube)作為串聯(lián)元件，將會對混合電路的穩(wěn)定性甚至安全性造成嚴(yán)重的影響，因為gdt幾個特性參數(shù)的離散性太大，如：直流動作電壓離散性很大、輝光電壓的波動幅度很大、輝光與弧光的轉(zhuǎn)換電流不穩(wěn)定、氣體恢復(fù)到惰性狀態(tài)的時間不確定性等等，使gdt不適合應(yīng)用在“鉗位元件串聯(lián)開關(guān)器件”的混合型防雷電路結(jié)構(gòu)中，對降低雷擊殘壓沒有太大的幫助。

另外，在過壓防護器件中有一種俗稱“固體放電管”的半導(dǎo)體放電管，如tss管，是一種具有負(fù)阻折回特性的開關(guān)器件，具備優(yōu)良的開關(guān)泄流特性，它的伏安特性曲線如圖6所示。

tss管具有相當(dāng)穩(wěn)定的“vdrm阻斷電壓”參數(shù)，這個特性使之與壓敏電阻串聯(lián)使用之后，兩者的串聯(lián)直流動作電壓具有穩(wěn)定可控的特性，這一特性是串聯(lián)混合電路安全可靠的重要保障。而常用的防雷gdt管的直流動作電壓通常在其標(biāo)稱動作電壓的±20％范圍內(nèi)擺動，離散性太大，無法保障與壓敏電阻串聯(lián)之后的動作電壓的穩(wěn)定性。

tss管的另外一個重要參數(shù)“is導(dǎo)通觸發(fā)電流”的數(shù)值較大(通常達(dá)到600～800ma)，這個特性進一步保障了“mov串聯(lián)tss”混合電路對電網(wǎng)工頻電壓耐受值的穩(wěn)定性，因為在正常工況條件下，電網(wǎng)工頻電壓無論是通過mov的等效并聯(lián)電容(通常在0.1～10nf)還是mov自身的漏電流都無法形成500ma這么大的連續(xù)工頻電流，自然無法使tss管進入“導(dǎo)通狀態(tài)”，保障了無雷擊狀態(tài)下串聯(lián)混合電路的穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的gdt管的“輝光電流”數(shù)值很小(通常只有0.1～10ma)，電網(wǎng)通過mov的等效電容或者通過mov自身的漏電流所形成的工頻電流幅值，就可能意外觸發(fā)gdt管進入“輝光狀態(tài)”，進而使gdt管快速過渡到完全導(dǎo)通的“弧光狀態(tài)”形成連續(xù)的、無法熄滅的工頻電流，因此“mov串聯(lián)gdt”的混合電路在電網(wǎng)電壓應(yīng)力之下處于極不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，無法保證防護電路自身的穩(wěn)定性與安全性。

tss管的“電流過零即關(guān)斷”的關(guān)斷特性使得tss管能夠有效遮斷跟隨在雷擊脈沖之后的工頻續(xù)電流。在雷擊過壓脈沖與電網(wǎng)應(yīng)力的雙重作用下tss管進入“導(dǎo)通狀態(tài)”并且形成了跟隨的工頻續(xù)流，由于電網(wǎng)工頻電壓的交變特性使得工頻續(xù)流一定會在半個工頻周期內(nèi)穿越零電流點，“過零”之后的tss管將馬上恢復(fù)到“截止?fàn)顟B(tài)”，只要下一個工頻電壓的峰值低于“mov動作電壓與tss管阻斷電壓之和”，tss管就會一直維持阻斷狀態(tài)，因此雷擊脈沖所形成的工頻續(xù)流所持續(xù)的時間不會超過10毫秒。只要mov與tss管的參數(shù)選型得當(dāng)，工頻續(xù)流的幅度是可控的，10ms時間內(nèi)產(chǎn)生的溫升也不至于對mov的閥片與tss管造成損壞。而gdt管不存在類似tss管的“電流歸零就恢復(fù)阻斷狀態(tài)”的特性，gdt管恢復(fù)阻斷狀態(tài)的時間很不確定，因其管內(nèi)被雷擊電離的氣體恢復(fù)到惰性、絕緣狀態(tài)的時間沒有保障，測試經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，在雷擊脈沖過后一定時間之內(nèi)，gdt管內(nèi)的氣體還處于微弱的輝光電離狀態(tài)，如果下一個電網(wǎng)峰值電壓高于“mov動作電壓與gdt管輝光電壓之和”，則gdt管將會被電網(wǎng)電壓繼續(xù)觸發(fā)，工頻續(xù)流將無法熄滅，mov閥片與gdt管都將處于過溫危險之中，因此在本設(shè)計中g(shù)dt管不能取代tss管。

但是長期以來tss管只是作為過壓防護器件應(yīng)用在數(shù)據(jù)端口，數(shù)據(jù)端口沒有交流電勢差，不存在雷擊后的跟隨工頻電流問題，而且多數(shù)情況下數(shù)據(jù)端口的雷擊電流沖擊幅度不大，因而常用的tss管的雷擊通流水平與工頻耐流水平都不高，比如封裝形式為smc的固體放電管，其8/20us波形雷擊通流能力小于500a，連續(xù)工頻通流能力通常小于20a。如果將tss管簡單地應(yīng)用到交流電源端口，tss管很容易被雷擊電流或者工頻電流擊穿短路，因此必須重新充分評估tss管的安全特性。

將tss管應(yīng)用到電源端口，需要先行解決兩個問題：一是降低雷擊電流的峰值使之落在常用tss管的雷擊電流耐受范圍之內(nèi)；二是降低電網(wǎng)工頻續(xù)流的幅值使之落在常用tss管的耐受范圍之內(nèi)。只有解決了這兩個問題，傳統(tǒng)的tss管才可能安全地應(yīng)用到電源端口。如何解決工頻續(xù)流的可靠遮斷問題，是這個新型防雷設(shè)計電路可行性的關(guān)鍵因素。

從前面的分析可以看到，要想較大幅度地降低雷擊殘壓，就必須大幅度地降低壓敏電阻的動作電壓，采用較低動作電壓的壓敏電阻就決定了雷擊之后跟隨工頻續(xù)流是不可避免的；而且在超過其最大運行電壓的工況條件下，所產(chǎn)生的工頻電流的幅值也會較高。既然工頻續(xù)流的產(chǎn)生是不可避免的，而且工頻電流的幅值也不可能很低，那么保護壓敏電阻與tss管的唯一途徑就是考慮如何縮短工頻電流持續(xù)的時間，在壓敏電阻與tss管被高溫?fù)p壞之前快速關(guān)斷電網(wǎng)工頻續(xù)流。要實現(xiàn)這個高溫關(guān)斷電流的功能，最適合的元件就是ptc(positivetemperaturecoefficient，正的溫度系數(shù))熱敏電阻。由此可見，上述實施例中的固體放電管可選tss管，或其他性能相近的固體放電管。

結(jié)合圖2和圖3，對壓敏電阻15的溫度進行檢測并對電網(wǎng)電流進行高溫切斷的最有效手段，就是將具有正溫度系數(shù)特性的熱敏電阻14印銀閥片與壓敏電阻15印銀閥片直接背靠背地焊接在一起。要保證熱量能夠在兩個陶瓷閥片之間高效傳導(dǎo)，使壓敏閥片與熱敏閥片形成一個統(tǒng)一的蓄熱整體，讓熱敏閥片有效感知并跟隨壓敏閥片的溫度變化，在溫度上升到到預(yù)設(shè)的控制溫區(qū)之后(如200～300℃)，利用熱敏閥片的阻值非線性躍遷特性，使電網(wǎng)供應(yīng)給壓敏電阻15的工頻電流急劇降低至毫安級別的安全水平，阻止壓敏閥片溫度的繼續(xù)上升，從而防止壓敏閥片的溫度進入到危險的破壞性溫區(qū)(通常在500～600℃)，壓敏閥片就得到了有效的熱保護。

請參閱圖2和圖3，將熱敏電阻14的閥片與壓敏電阻15的閥片背靠背貼合在一起焊接，就構(gòu)成俗稱的“熱敏壓敏復(fù)合元件”。將“熱敏壓敏復(fù)合元件”與tss管串聯(lián)在一起，就形成如圖3所示的“熱敏壓敏復(fù)合型低殘壓防雷電路”。

在工頻電流產(chǎn)生的初期ptc熱敏電阻14還沒達(dá)到其居里溫度(俗稱“動作溫度”)，其電阻值維持在常溫阻值附近，工頻電流在壓敏閥片上產(chǎn)生的焦耳熱為ev＝∫uidt，工頻電流在熱敏電阻14上產(chǎn)生的焦耳熱為er＝∫i²rdt。由于壓敏電阻15屬于非線性器件，實際流經(jīng)熱敏與壓敏電阻15的電流i并不是規(guī)則的正弦波電流，因此實際產(chǎn)生的焦耳能量最好通過數(shù)字示波器的電壓電流采樣數(shù)據(jù)進行卷積計算。以上圖3的電路為例，如果熱敏電阻14取值10ω、壓敏電阻15動作電壓取值240vdc、tss管標(biāo)稱電壓取值150vdc，對這個電路施加320vac的工頻電壓，抓取熱敏電阻14與壓敏電阻15各自的電壓波形數(shù)據(jù)以及流過兩者的電流波形數(shù)據(jù)，分別對壓敏電阻15在10ms內(nèi)的焦耳熱進行積分計算，得到ev＝6j，er＝1j，反過來推算得到兩者的加熱電功率pv＝600w，pr＝100w。

可見同樣的電流在熱敏電阻14與壓敏電阻15之上所產(chǎn)生的電功率有著巨大的差異，壓敏電阻15的電功率幾乎是熱敏電阻14的6倍，意味著壓敏電阻15的溫度上升速率要比熱敏電阻14快得多，如果熱敏閥片與壓敏閥片分別屬于兩個獨立的元件，兩者之間不存在熱耦合，可以預(yù)見，在壓敏電阻15的溫度達(dá)到氧化鋅晶粒的失效溫度的時候，熱敏電阻14的溫度還沒達(dá)到其有效高阻值溫區(qū)，無法對電網(wǎng)電流形成快速的抑制作用，可見分離的熱敏電阻14無法保護有工頻電流流過的壓敏電阻15。

只有當(dāng)熱敏電阻14與壓敏電阻15的兩個閥片背靠背地焊接成一個蓄熱整體的時候，壓敏電阻15的閥片的熱量可以快速傳導(dǎo)給熱敏電阻14的閥片，即使兩者的電功率差別很大，熱敏電阻14的閥片的溫度依然能夠快速跟隨壓敏電阻15的閥片的溫度上升速度，因為熱敏電阻14的閥片的溫度上升不再依賴單純的工頻電流加熱效應(yīng)，二是主要依靠壓敏電阻15閥片的直接熱傳導(dǎo)來產(chǎn)生溫度上升，因此當(dāng)壓敏電阻15的閥片溫度越過200℃的時候，熱敏電阻14的閥片的溫度也很快達(dá)到200℃。在這個溫區(qū)，熱敏電阻14的阻值已經(jīng)達(dá)到幾百kω的水平，電網(wǎng)通過熱敏電阻14與壓敏電阻15環(huán)路形成的工頻電流也會降低至幾毫安的水平，這個微弱的電流所產(chǎn)生的電功率只有1w左右，已經(jīng)接近防護模塊對空氣的熱耗散水平，因此防護模塊的溫度維持在200℃附近，不再繼續(xù)上升，有效地避免了模塊達(dá)到壓敏電阻15晶粒的破壞溫區(qū)(超過300℃)。

實際應(yīng)用中熱傳導(dǎo)有一個滯后的時間，這個滯后時間的長短取決于熱量在兩個閥片間傳導(dǎo)的阻力(俗稱“熱阻”)?！盁嶙琛钡拇笮∨c兩個閥片之間的焊接材料與焊接水平高度相關(guān)，需要盡可能地加大兩個閥片的接觸面積以及采用導(dǎo)熱性能更好的電極材料與焊接材料，從而提高復(fù)合防護模塊對工頻電流的耐受水平。

除了“熱阻”因素，熱敏電阻14與壓敏電阻15閥片的“等效熱容量”參數(shù)也是設(shè)計“熱敏壓敏復(fù)合器件”的關(guān)鍵參數(shù)。熱敏電阻14閥片的等效熱容量又稱“動作熱容量”，指的是熱敏電阻14電阻值從常溫25℃上升到其居里溫度tc所吸收的能量。壓敏電阻15閥片的“最大熱容量”則指的是壓敏閥片溫度從常溫25℃上升到其損毀溫度所吸收的能量。由于兩個閥片之間“熱阻”的存在，熱敏電阻14閥片對壓敏電阻15閥片溫度的跟隨滯后時間不可避免地存在，這個因素是影響“熱壓復(fù)合器件”對大幅值工頻電流沖擊安全性的關(guān)鍵因素。為了降低壓敏閥片被工頻電流燒穿的風(fēng)險，需要盡可能地加大壓敏閥片的“最大熱容量”，同時盡可能的減小熱敏閥片的“動作熱容量”，使熱敏電阻14閥片的“動作時間”遠(yuǎn)小于壓敏閥片的“燒穿時間”，確保復(fù)合器件規(guī)定的工頻沖擊電流下的安全性具備一定的裕量。

由于熱量可以在模塊的三個部件之間自由快速傳導(dǎo)(tss管的熱量先傳導(dǎo)給壓敏閥片，然后再傳導(dǎo)給熱敏閥片)，因此熱敏閥片可以感知并跟隨壓敏閥片以及tss管的溫度變化情況，只要選擇合適動作熱容量的熱敏電阻14，熱敏電阻14就可以給壓敏閥片以及tss管提供安全的過溫保護，有效防止工頻電流對壓敏閥片與tss管的高溫?fù)p壞，保證防護模塊自身的安全。

全包封的“三合一復(fù)合防護模塊”所具備的防護性能：

如果按照工況條件(220vac±30％，雷擊防護水平3kv_1.2/50us)進行選型設(shè)計，可以確定“三合一”復(fù)合防雷模塊內(nèi)部各個部件的參數(shù)分別如下：

熱敏電阻：r25＝10ω±10％，tc＝110℃，閥片直徑8mm，閥片厚度3mm；

壓敏電阻：uv＝240vdc±10％，閥片直徑10mm，閥片厚度1.2mm；

tss管：標(biāo)稱動作電壓180vdc±10％，標(biāo)稱8/20us放電電流400a。

將焊接包封好的防護模塊樣品進行3kv_1.2/50us雷擊測試(同時給模塊施加300vac最大運行工頻電壓)：

1、加上300vac交流電，在電壓正弦波的90°與270°角進行雷擊沖擊，雷擊殘壓如下：

雷擊殘壓：uo1<600vp(波頭尖峰電壓，t<1us)

雷擊殘壓：uo2<480vp(平臺部分電壓，t>1us)

續(xù)流遮斷情況：脈沖過后工頻續(xù)流維持時間小于10ms。

2、在模塊的1、3腳之間施加440vac/5a的模擬電網(wǎng)工頻過電壓，測試防護模塊2、3腳之間的輸出電壓幅值，結(jié)果為：uop<460vp。

由測試數(shù)據(jù)可見，“三合一”防雷模塊在雷擊脈沖過后沒有產(chǎn)生持續(xù)的工頻續(xù)流電流，可以滿足300vac的最大運行電網(wǎng)條件。但是波頭尖峰的殘壓偏高，雖然波頭脈寬很窄(僅0.2us)，但依然會對后級電路產(chǎn)生威脅。

改進的“三合一”防護模塊：

在進一步的實施方式中，請參閱圖7，過壓防護模塊10在雷擊測試時產(chǎn)生的雷擊波頭過壓尖峰是由固體放電管16的動作電壓與壓敏電阻15的鉗位電壓同時疊加所致，為了消除這個波頭尖峰過壓，需要讓固體放電管16先行觸發(fā)導(dǎo)通并使其兩端壓降低至5vdc，然后再開通壓敏電阻15進行雷擊電流泄放，這樣固體放電管16的波頭觸發(fā)電壓(約200vp)就不會與壓敏電阻15的鉗位電壓發(fā)生同時疊加。

過壓防護模塊10在通過在壓敏電阻15兩端并聯(lián)高壓電容19的方式，利用雷擊波頭上升陡度較高的特點，使固體放電管16的觸發(fā)電流(約0.8ap)由電容19提供，避免固體放電管16的觸發(fā)電流流經(jīng)壓敏電阻15而產(chǎn)生疊加效應(yīng)，達(dá)到消除雷擊波頭尖峰的效果。

本實施例中，固體放電管16優(yōu)選tss管。電容19的取值要謹(jǐn)慎選擇，避免容量過小以致于不能提供足夠的脈沖電流來觸發(fā)tss管，同時也要避免過大的容量使正常的300vac工頻電壓意外觸發(fā)tss管。

另外，過壓防護模塊10是全包封的“三合一復(fù)合防護模塊”的情況下，電容19可以利用高導(dǎo)熱包封樹脂包封在內(nèi)。過壓防護模塊10是部分包封的“三合一復(fù)合防護模塊”的情況下，電容19可以利用高導(dǎo)熱包封樹脂包封在內(nèi)，也可以是獨立在外單獨設(shè)置。

將改進的“三合一”防雷模塊再次進行同樣的雷擊沖擊測試與工頻過壓測試，結(jié)果如下：

1、加上300vac交流電，在電壓正弦波的90°與270°角進行雷擊沖擊，結(jié)果如下：

雷擊殘壓：uo<500vp(任意時間)，脈沖過后工頻續(xù)流維持時間小于10ms。

2、在復(fù)合防護模塊的1、3腳之間施加440vac/5a的模擬電網(wǎng)工頻過電壓，測試防護模塊2、3腳之間的輸出電壓幅值，結(jié)果為：uop<460vp。

由上面的測試結(jié)果可以看到，在電網(wǎng)運行電壓達(dá)到300vac的情況下，本專利設(shè)計的“三合一”防雷模塊的3kv雷擊殘壓非常低，僅為500vp，雷擊殘壓僅僅比電網(wǎng)峰值電壓420vp高出約80vp，即“殘壓比”僅為1.2，成為真正的“超低殘壓的防雷模塊”。而在傳統(tǒng)的防雷方案中，如果采用單個10d511k的壓敏電阻15進行防護，其3kv雷擊殘壓將高達(dá)1100vp，雷擊殘壓比達(dá)到2.2?？梢姳緦＠O(shè)計的防護模塊在降低雷擊殘壓方面非常有效，相對于傳統(tǒng)的防雷電路，“三合一”復(fù)合型防護模塊的雷擊殘壓降低了45％，具有明顯的性能優(yōu)勢。

本專利中的過壓防護模塊的其它優(yōu)點：

1、過壓防護模塊可以給設(shè)備提供安全的“持續(xù)工頻過壓保護”。

所謂的“持續(xù)的工頻過壓”指的是供電電壓由于某種原因(比如零線缺失、單相接地故障、接線錯誤、電網(wǎng)自身波動等)造成的電壓升高使電壓幅值連續(xù)超過設(shè)備最大運行電壓的現(xiàn)象。長時間的工頻過壓將對設(shè)備電源造成無法恢復(fù)的損壞，尤其是電源電路中對工頻過壓相當(dāng)敏感的兩個部件：防雷電路壓敏電阻15以及高壓儲能電解電容。

出于降低雷擊殘壓的考量，傳統(tǒng)的單純壓敏電阻防雷方式中，壓敏電阻的動作電壓取值通常僅僅比設(shè)備最大運行電壓的峰值高10～20％，當(dāng)電網(wǎng)的電壓波動幅度長時間超過其最大運行電壓的+30％的時候，防雷電路的壓敏電阻將進入電流為幾十毫安的動作區(qū)，在這個電流的加熱作用下，只需要30秒到1分鐘左右的時間，壓敏電阻就會產(chǎn)生過溫短路失效，隨后可能會冒煙起火炸裂。

在單相供電的設(shè)備中常用的高壓儲能電容的直流耐壓為400vdc和450vdc兩種規(guī)格，如果電網(wǎng)工頻電壓連續(xù)超過設(shè)備最大運行電壓的+30％，則整流后的電壓將遠(yuǎn)超過500vdc，使高壓鋁電解電容開閥漏液甚至爆炸。

傳統(tǒng)的防雷電路不具備連續(xù)工頻過壓的抑制能力。而本專利設(shè)計的“三合一復(fù)合防護模塊”，只要適當(dāng)選取壓敏閥片與tss管的直流動作電壓參數(shù)，使兩者直流動作電壓之和小于430vdc，就可以在電網(wǎng)峰值電壓超過430vdc的時候，觸發(fā)tss管與壓敏閥片流過工頻電流，兩者所產(chǎn)生的熱量對熱敏閥片進行直接加熱，使熱敏閥片的阻值快速躍遷翻轉(zhuǎn)到高阻值狀態(tài)，此時模塊的輸出工頻電壓被有效抑制在450vdc以下輸出，以保護整流器后面的450vdc高壓鋁電解電容，同時復(fù)合防護模塊自身還不會產(chǎn)生損壞，當(dāng)電網(wǎng)工頻過電壓故障排除之后，只需2～3分鐘的冷卻時間，復(fù)合防護模塊又可以恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

可見利用“三合一復(fù)合防護模塊”精準(zhǔn)的動作電壓特性可以抑制電網(wǎng)工頻過電壓的輸出電壓幅值，有效保護設(shè)備的敏感元器件免受電網(wǎng)波動的損壞。

2、過壓防護模塊能夠耐受更長時間的暫態(tài)過電壓tov的沖擊。

工頻暫態(tài)過電壓俗稱tov(英文全稱：temporaryover-voltage)，是供電網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常出現(xiàn)的電網(wǎng)短時間(0.1～5s)波動現(xiàn)象，引起tov過電壓的原因有很多，常見的有：感性大型電機開關(guān)操作、大容量容性負(fù)載開關(guān)操作、電網(wǎng)斷電上電操作、電網(wǎng)高壓側(cè)接地故障轉(zhuǎn)移過電壓等。tov過電壓對壓敏電阻的危害很大，因為即使是零點幾秒的過電壓，也會在壓敏電阻上面產(chǎn)生極大的工頻電流熱量，比如對于510vdc的壓敏電阻來說，過電壓幅度為480vac(10ω內(nèi)阻)的故障電壓加載1秒鐘，其在壓敏電阻上產(chǎn)生的熱量高達(dá)800焦耳。這個熱量水平已經(jīng)比10d511k壓敏電阻的標(biāo)稱最大能量耐受值(通常為70～80j)高出10倍，因此10d511k壓敏電阻在受到480vac(10ω內(nèi)阻)1s鐘的tov沖擊下，壓敏電阻閥片將會產(chǎn)生過溫型燒穿短路，如果沒有串聯(lián)合適的斷路脫離裝置，壓敏電阻的包封層將會被高溫烘烤冒煙，甚至起火燃燒。

在“三合一復(fù)合防護模塊”中，熱敏電阻的閥片與壓敏電阻的閥片是背靠背貼合焊接在一起的，如果在tov沖擊下壓敏閥片的溫度上升達(dá)到熱敏電阻的動作溫度，那么熱敏電阻的阻值將以“指數(shù)規(guī)律”急劇增長，從而快速抑制流過“三合一復(fù)合防護模塊”的工頻電流，最終使殘余電流維持在幾ma的水平，在這個殘余電流下，電流發(fā)熱量與模塊散發(fā)的熱量達(dá)到平衡，模塊停止溫升，整個防雷模塊的溫度被有效控制在300℃以下，這樣就充分避免了壓敏閥片溫度觸及其危險的“晶相轉(zhuǎn)變”溫區(qū)(通常在500～600℃)，保障了壓敏電阻在tov沖擊下的安全性。當(dāng)tov過去之后，防護模塊的溫度會逐漸降低，最終回復(fù)到常態(tài)溫度繼續(xù)工作。

可見“三合一”防護模塊徹底解決了普通壓敏電阻在tov沖擊下容易燒穿短路失效的頑疾。

3、過壓防護模塊的在線服役壽命顯著提高。

在壓敏電阻單獨使用的情況下，由于要兼顧雷擊殘壓水平，壓敏電阻的動作電壓取值往往僅僅比電網(wǎng)峰值電壓高10～20％，即壓敏電阻的“荷電率”系數(shù)往往高達(dá)0.8～0.9，在這么高的加載電壓情況下，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動升高的時候，流過壓敏電阻的漏電流將快速增加，增加的漏電流使壓敏閥片溫度升高，由于壓敏電阻陶瓷粉料普遍具有“負(fù)溫度系數(shù)”的特性，溫度上升使壓敏電阻動作電壓降低，進而使漏電流增大，溫度越高，漏電流越大，如此惡性循環(huán)，時間較長之后最終導(dǎo)致壓敏閥片的溫度逐漸達(dá)到損毀溫度，使壓敏電阻被高溫?zé)┒搪肥А?/p>

而“三合一復(fù)合防護模塊”的壓敏閥片是串聯(lián)了tss管之后才接入電網(wǎng)的，只要壓敏閥片的動作電壓與tss管的阻斷電壓之和一直高于電網(wǎng)的峰值電壓，就不會有漏電流流過壓敏閥片，因此在電網(wǎng)電壓小于防護模塊的最大運行電壓的情況下，壓敏閥片的“荷電率”極低，壓敏電阻上面幾乎沒有電壓應(yīng)力，其壽命自然得到了大幅度延長。

因此整個“三合一復(fù)合防護模塊”的在線服役壽命只取決于其雷擊脈沖壽命與tov沖擊壽命，不象單個壓敏電阻15那樣還要受到“長期荷電應(yīng)力”與“漏電流烘烤效應(yīng)”的負(fù)面影響，因此本防護模塊的在線服役壽命得到了顯著提高。

另外，“三合一復(fù)合防護模塊”與傳統(tǒng)的“防雷電路”在結(jié)構(gòu)上的最大差別在于，復(fù)合防護模塊的三個部件并非如傳統(tǒng)防雷電路那樣采用相互獨立的“分立式元件”簡單地在電氣上連通在一起，而是通過“背靠背直接熱傳導(dǎo)”的方式，將熱敏閥片與壓敏閥片與tss管以“背靠背”的方式緊包無縫地焊接在一起，最大程度地減小熱量在兩個閥片之間傳導(dǎo)的“熱阻”，使三個部件形成一個優(yōu)良的熱的導(dǎo)體，因此可以充分利用這三個元件各自的非線性特點進行交互保護，從而具備如下的保護功能：

利用熱敏電阻的阻值隨溫度升高而呈現(xiàn)指數(shù)躍遷的熱敏感特性，將熱敏閥片與壓敏閥片緊密的貼合焊接在一起，就可以控制流過壓敏電阻的電流持續(xù)時間，抑制壓敏閥片的溫度升高幅度，防止壓敏電阻在工頻電流作用下進入其“破壞溫區(qū)”，保護壓敏電阻不被過溫?fù)p壞；

利用壓敏電阻兩端壓降隨電流增加而增加的鉗位特性，將壓敏電阻串聯(lián)到tss管上，就可以抑制雷擊過后的“跟隨工頻續(xù)流”的幅度，保護tss管，使其免受過大的工頻電流沖擊而損毀；

利用tss管在阻斷電壓之下漏電流極低的特點，將tss管與壓敏電阻串聯(lián)，可以阻止正常工況條件下電網(wǎng)漏電流的產(chǎn)生，大幅降低壓敏電阻的荷電應(yīng)力，有效地延長壓敏電阻的在線服役壽命；

當(dāng)電網(wǎng)tov峰值電壓超過防護模塊的最大運行電壓的時候，流過壓敏閥片的工頻電流使壓敏閥片產(chǎn)生大量的熱量，此熱量同時對緊貼著壓敏閥片的熱敏閥片進行快速加熱，使熱敏閥片的阻值產(chǎn)生快速躍升，迅速將流過防護模塊的工頻電流降低到毫安級別的安全水平，阻止了防護模塊溫度的持續(xù)攀升，防止防護模塊自身被高溫?fù)p壞。

“三合一復(fù)合防護模塊”與傳統(tǒng)的“防雷模塊”在功能上的最大差別在于，復(fù)合防護模塊除了具備瞬態(tài)雷擊過壓防護功能，還具備獨特的“電網(wǎng)工頻過壓防護”功能：它可以將來自電網(wǎng)的暫態(tài)或者連續(xù)的工頻過電壓抑制到一個安全的幅值之下再輸出給后級電源，有效保護電源電路中的電壓敏感元器件(如高壓儲能電容、半導(dǎo)體開關(guān)器件等)。而傳統(tǒng)的“防雷模塊”是不具備“連續(xù)工頻過壓”耐受能力的，在連續(xù)的超過其動作電壓1.2倍的電網(wǎng)峰值電壓作用下，壓敏電阻15將很快過溫?fù)p毀。因此說“三合一復(fù)合防護模塊”的“電網(wǎng)工頻過壓防護”功能相對于傳統(tǒng)防雷方案來說是一種創(chuàng)新性的防護功能，這個功能使用電設(shè)備以很低的成本實現(xiàn)了對電網(wǎng)異常過電壓的防護，增強了設(shè)備對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性，提高了設(shè)備的安全性。

“三合一復(fù)合防護模塊”與傳統(tǒng)的“防雷模塊”在防雷性能上的最大差別在于，“三合一復(fù)合防護模塊”具有比傳統(tǒng)防雷模塊低得多的雷擊殘壓水平，它屬于真正意義上的“超低殘壓”的防雷模塊。通過在壓敏閥片之下串聯(lián)具有穩(wěn)定阻斷電壓特性的tss開關(guān)型器件，可以讓壓敏電阻15動作電壓的選型擺脫傳統(tǒng)的壓敏電阻15所受到的“荷電率”因素的制約，使其動作電壓可以大幅度降低(相對于傳統(tǒng)防雷電路其最高降幅可達(dá)50％)，為有效降低模塊的雷擊殘壓水平創(chuàng)造了必要的條件，因為壓敏閥片動作電壓的大幅降低，使整個防護模塊的輸出雷擊殘壓水平也相應(yīng)地降低了同樣的幅度(最大降幅達(dá)到50％)，使復(fù)合防護模塊的雷擊“殘壓比”由傳統(tǒng)電路的2.2水平一下降低到了1.2的水平，雷擊殘的壓降低非常有效而且降低的幅度非?？捎^。

利用“熱敏+壓敏”復(fù)合元件的快速過溫限流特性，有效快速地遮斷了復(fù)合模塊在雷擊過后的跟隨工頻續(xù)流，徹底消除由于壓敏閥片的動作電壓大幅度降低之后存在的工頻續(xù)流風(fēng)險，保障復(fù)合防護模塊自身在最大運行電壓下長期工作的安全性與可靠性。

創(chuàng)造性地將tss半導(dǎo)體閘流管引入到交流端口的防雷設(shè)計當(dāng)中，形成“壓敏電阻15鉗位元件串聯(lián)tss開關(guān)器件”的混合防雷電路，巧妙利用tss管的“電流過零即關(guān)斷的特性”，將雷擊脈沖之后形成的跟隨工頻續(xù)流的持續(xù)時間控制在10毫秒之內(nèi)，使雷擊之后的工頻續(xù)流做到可控而且安全。

由于tss管導(dǎo)通后的兩端壓降很低(約5vdc)，在工頻電流沖擊下，tss管的電功率較低，其發(fā)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與之串聯(lián)的壓敏閥片，tss管對熱敏閥片的加熱效應(yīng)相對于壓敏閥片來說低得多，因此即使將tss管從復(fù)合防護模塊中單獨移出來作為獨立的個體與“熱敏+壓敏復(fù)合元件”進行電氣連接，也能夠達(dá)到三個器件背靠背焊接在一起的復(fù)合防護模塊相近的功能。但是“熱敏壓敏復(fù)合元件”與tss管分離后進行電氣連接的應(yīng)用電路，其工作原理甚至是元器件的選型都與“三合一復(fù)合防護模塊”相類同，因此依然屬于本專利的保護范圍。

通過壓敏電阻串聯(lián)tss管的連接方式，開創(chuàng)性地將壓敏電阻的動作電壓大幅度地降低50％，在不降低防護模塊的工頻耐受水平情況下，有效地將雷擊殘壓水平降低了45％，開創(chuàng)了一種可靠的、能夠滿足超低雷擊殘壓水平的設(shè)計路徑。

將復(fù)合防護模塊中的“壓敏電阻動作電壓”與“tss阻斷電壓”之和選取在450vdc之下，使防護模塊在受到高于320vac的電網(wǎng)連續(xù)過電壓沖擊的時候，先將電網(wǎng)輸出電壓鉗位在480vdc以下再輸出給電源的高壓整流器，可以有效地保護設(shè)備電源中的450vdc高壓儲能電容，開創(chuàng)了一種經(jīng)濟實惠的、可以實現(xiàn)電網(wǎng)連續(xù)工頻過電壓保護功能的技術(shù)路徑。

此外，請參閱圖1，還提供了一種用電設(shè)備，具有火線輸入端子li、零線輸入端子n和負(fù)載電路50，還包括上述的過壓防護模塊10，過壓防護模塊10的輸入引腳11、輸出引腳12和公共引腳13順次分別與火線輸入端子li、負(fù)載電路50和零線輸入端子n電氣連接。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實施例各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。