气体放电管在开关变换器中的应用

周 岩，杨长业

(1.南京邮电大学自动化学院，江苏 南京 210006;2.解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

气体放电管在开关变换器中的应用

周 岩1，杨长业2

(1.南京邮电大学自动化学院，江苏 南京 210006;2.解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

气体放电管广泛应用于直流开关变换器的浪涌电压抑制中，本文分析了气体放电管的原理和工作特性，并结合工作特点指出了其在电路中的选择和设计要点，实验波形验证了分析的正确性。

气体放电管;浪涌电压;开关变换器;抗浪涌

1 引言

为了避免雷电、线路故障等原因产生的浪涌电压损害开关电源或干扰后级的电子设备，需要将浪涌电压控制在一定的范围内。一般的设计思路是为浪涌电压提供瞬间浪涌回路，在非常短的时间内使浪涌电流分流到浪涌产生的源端，达到削弱过电压的目的，从而使后级电子设备可靠工作。常用的器件有气体或固体放电管、金属氧化物压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管等器件以及它们的组合设计。

放电管(GDT）主要可分为气体放电管和固体放电管两大类。气体放电管的放电介质一般为惰性气体，具有通流能力强的优点，其失效模式为断路。固体放电管的放电介质为硅PN结，是基于可控硅的原理和结构的一种二端负阻器件，具有响应快、抑制电压效果好的优点。但是其通流能力相对较低，且失效模式为短路，在很多场合和地区限制使用。

本文以直流开关变换器设计为例，重点分析了气体放电管的工作原理和选型原则，提出了气体放电管在开关变换器中的设计误区与应用要点。

2 原理与设计

2.1 气体放电管的工作原理

气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个以上的带间隙的金属电极，充以惰性气体构成，是利用气体放电理论的离子器件。当加在管子两端的电压达到或超过其击穿电压时，气体放电管可近似认为一个变阻抗器件，由高阻抗迅速变为低阻抗状态，从而为干扰源提供泄放浪涌电流通路［1-2］。

如图1所示，气体放电管的电压击穿工作可主要分为三个过程［3］:

(1）击穿(汤森）放电电压过程

当加在气体放电管两端的浪涌电压超过击穿放电电压时，放电管内部惰性气体被电离(即达到汤森自持放电条件），放电管开始放电，此时流过气体放电管的电离电流较小。气体放电管的击穿放电电压分为两种类型:直流击穿放电电压和脉冲击穿放电电压。通常，直流稳态击穿放电电压幅值小于脉冲击穿放电电压幅值。对于上升速率越快的电压脉冲，气体放电管的响应能力相对变差，脉冲击穿放电电压幅值越高。

(2）辉光电压过程

当浪涌电压持续时，气体放电管两端的压降迅速下降至辉光放电电压，管内电流开始明显升高。如图1所示，辉光电压的幅值远小于击穿放电电压，气体放电管的阻抗明显降低，但流过的浪涌电流依然很小。

(3）弧光电压过程

当气体放电管中流过的放电电流进一步增大时，放电管便进入弧光放电阶段。放电管从辉光电压到弧光放电电压的过渡电流很小，在数安培之内，依据不同厂家产品而定。此时气体放电管两端的电压达到最小值，处于导通状态，且弧光电压在额定的电流变化范围内保持近似稳定。

图1 气体放电管电压-电流放电曲线Fig.1 Discharge V-A curve of GDT

当浪涌电压干扰消退时，由于流过气体放电管的电流不断降低，气体放电管的工作状态和前述的放电过程相反，弧光放电将过渡辉光放电状态，最后结束整个放电状态(熄弧）。从以上分析的气体放电管工作过程可知，其流过的电流幅值与两端工作电压、持续时间有关，因此其电流函数关系式可表示为:

2.2 气体放电管的选型要点

为使气体放电管可靠的工作，可按以下几个主要因素选择具体型号:

(1）确定直流稳态电压

气体放电管使直流击穿放电电压具有很大的误差范围，因此需要保证直流击穿放电电压最低值高于开关变换器的最大输入电压，并留有一定的裕量。如此才能保证在正常工作时气体放电管不被误导通。

(2）确定流过的浪涌电流强度

按照 IEC61000-4-5、IEC60950-1等相关的浪涌电压、安规标准，应对开关变换器的不同输入线间各打5次的组合浪涌电压。同时，不同的客户对产品所需承受的浪涌电压次数也有不同要求。气体放电管可靠工作所能承受的浪涌电流强度与浪涌电压打击次数直接相关，次数越高电流耐受能力越低。

同时需要确定模拟的浪涌电压峰值、持续时间、内阻等指标，以此确定流过气体放电管的最大峰值电流。在开关变换器中，气体放电管一般与压敏电阻或稳压管组合串联使用。最大峰值电流为

其中，Vsource为浪涌电压的峰值电压;rsource为浪涌电压的内阻值;Vclamp为压敏电阻或稳压管的钳位工作电压;Vp为气体二极管短路工作时的弧光电压。

(3）选择寄生电容和绝缘阻抗

气体放电管的规格书中一般会给出在1MHz测试条件下的寄生电容，寄生电容越小，气体放电管对浪涌电压的响应越快。同时，陶瓷气体放电管的绝缘阻抗要比玻璃气体放电管的绝缘阻抗大一个数量级，因此在相同条件下，陶瓷气体放电管对浪涌电压具有更快的响应速度。

2.3 气体放电管在开关变换器中的设计应用

需要重点提出的是，和用于信号传输的通信端口直接在线两端接气体放电管不同，应用于开关变换器输入端口的气体放电管不能单独直接接在不同线端之间，如图2所示。在正常使用时，由于气体放电管的直流击穿电压高于输入电压，气体放电管处于断路状态。但当输入电压端口出现浪涌电压高于击穿放电电压时，气体放电管将会始终处于短路状态，如图1所示，因此直接在输入电压端口加气体放电管是不允许的。

图2 开关变换器中GDT的错误用法Fig.2 Wrong application of GDT in power supply

与高输入电压需要增加气体放电管的安规要求不同，工作在低输入安全电压范围内的直流开关变换器可以直接在大地和输入端口线间直接使用压敏电阻等抗浪涌器件。但由于气体放电管的失效模式为断路，可保护压敏电阻失效后产生的自燃自爆等现象。如图3所示，一般将压敏电阻与气体放电管串联应用。在这个支路中，气体放电管将起一个开关作用，在正常工作时压敏电阻中几乎无泄漏电流，提高了压敏电阻工作的可靠性。

图3 GDT与压敏电阻构成的抗浪涌电路Fig.3 Surge suppress circuit

当浪涌电压产生时，瞬间的高压将会导致前级EMI共模电感工作在饱和状态，导致漏感与电容谐振产生较强的谐振电压和谐振电流，将会对后级电路产生严重影响，严重时可烧毁功率器件和各类IC芯片。因此可以在共模电感一侧并联气体放电管，利用气体放电管的短路特性来抑制其谐振特性，可有效降低谐振电压尖峰，如图4所示。

图4 利用GDT的特性抑制谐振电压Fig.4 Using GDT to avoid resonant waveform

3 实验

为了分析气体放电管对浪涌电压的抑制效果，分别验证了压敏电阻、压敏电阻串联陶瓷气体放电管、压敏电阻串联玻璃气体放电管不同组合对浪涌电压的动态响应特性。浪涌电压的规格为开路电压为 1.2 /50μs、2000Vmax，短 路 电 流 为 8/20μs、167Amax，12Ω内阻的组合波。选用的陶瓷气体放电管为 EPCOS公司的 S30-A150X［4］，其寄生电容 ＜1pF，阻抗＞1GΩ。;选用的玻璃气体放电管为三菱公司的 DSP-141N［5］，其直流击穿放电电压为140V，其寄生电容 ＜1pF，阻抗 ＞100MΩ。压敏电阻选用的是EPCOS公司的 S10K50，其额定标注的钳位开始工作直流电压为65V。

图5为浪涌电压直接加在压敏电阻两端时的瞬态电压试验波形。从图中可以看出浪涌电压从2000V被有效钳位在绝对值为138V左右，因此压敏电阻可有效地抑制浪涌电压。

图5 压敏电阻钳位浪涌电压Fig.5 Surge waveform suppressed directly by VDR

图6为浪涌电压加在压敏电阻串联玻璃气体放电管两端时的瞬态电压试验波形。由图中可以看出玻璃气体放电管的加入降低了压敏电阻对浪涌电压的抑制能力。在浪涌电压出现瞬间，由于玻璃气体放电管的脉冲击穿放电电压数值较高，整个抑制电路回路处于断路状态，因此在浪涌电压初期产生一个明显的脉冲电压尖峰，高达680V。但当玻璃气体放电管进入弧光电压工作时，电压抑制波形和单独使用压敏电阻的效果类似，在原有压敏电阻电压钳位的基础上叠加很低的弧光电压。

图6 压敏电阻串联玻璃GDT钳位浪涌电压Fig.6 Surge waveform suppressed by VDR in series with glass GDT

图7为浪涌电压加在压敏电阻串联陶瓷气体放电管两端时的瞬态电压试验波形。与图6的玻璃气体放电管串联压敏电阻的钳位效果比较，由于陶瓷气体放电管的绝缘阻抗比玻璃气体放电管绝缘阻抗高一个数量级，在浪涌电压出现瞬间并未出现脉冲电压尖峰，在输入电压设定为50V的条件下，也仅有168V的瞬间尖峰。虽然相对于直接使用压敏电阻的效果相比反向电压高了约60V，但考虑到引入气体放电管带来的诸多优点，这种组合对抑制浪涌电压的能力相对最优。

图7 压敏电阻串联陶瓷GDT钳位浪涌电压Fig.7 Surge waveform suppressed by VDR in series with ceramics GDT

4 结论

气体放电管广泛应用于开关变换器的抗浪涌设计中，深入理解气体放电管的工作特性十分必要。本文对气体放电管的工作原理和使用要点做了详细分析，同时对其常见的使用误区做了简要介绍。最后，对压敏电阻、压敏电阻串联陶瓷气体放电管、压敏电阻串联玻璃气体放电管等分别做了实验性能对比，实验验证了理论分析的正确性。

References）:

［1］薛红兵，段平，张广春 (Xue Hongbing，Duan Ping，Zhang Guangchun）.气体放电管在浪涌抑制电路的应用(The application of gas tube for surge protected circuit）［J］.电源技术应用 (Power Supply Technologies and Applications），2002，5(8）:47-49.

［2］周卫娟，张世定 (Zhou Weijuan，Zhang Shiding）.气体放电管性能的研究与改善 (The research and improvement for performance of the gas discharge tube）［J］.电子器件 (Chinese Journal of Electron Devices），1998，21(2）:124-130.

［3］陈超中，施晓红，於立成，等 (Chen Chaozhong，Shi Xiaohong，Yu Licheng，et al.）.LED 路灯防浪涌干扰设计中的绝缘耐压问题解析 (Analysis on the electric strength problem in the surges protection design for LED road luminaires）［J］.中国照明电器 (China Light＆Lighting），2010，(7）:10-16.

［4］EPCOS Company.Surge arrester［EB/OL］.［2007-10-09］.http://www.epcos.com/inf/100/ds/s30_a150x_x6071.pdf

［5］Mitsubishi Company.DSP series GDT［EB/OL］.［2004-01-01］.http://www.mmc.co.jp/adv/dev/chinese/index.html

Applications of gas discharge tube for switching mode power supply

ZHOU Yan1，YANG Chang-ye2
(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210006，China;2.Institute of Meteorology，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

The gas discharge tube(GDT）is often used for surge voltage suppression in switching mode power supply.This paper introduces some basic GDT's characteristics at first，such as DC spark over voltage，impulse spark over voltage，discharge current curve when the GDT is applied with different voltages，the technological requirements and the technical standards.The paper chiefly discusses two configurations for the common-mode surge voltage suppress circuit:voltage dependence resister in series with glass GDT and voltage dependence resister in series with ceramics GDT.According to the GDT working characteristics，the different types of GDTs will show different surge voltage suppression performances.Compared with the glass GDT，the ceramics GDT shows a faster response to a defined impulse surge voltage.Finally，the paper summarizes the performance of GDTs for surge voltage suppress in switching mode power supply，and gives some conclusions for selecting and using GDT.The experiment results verify the theoretical analysis.

gas discharge tube(GDT）;surge voltage;switching mode power supply;surge suppression

TN 86;TM46

A

1003-3076(2012）04-0088-04

2011-09-27

南京邮电大学校科研基金资助项目(NY211019）

周 岩 (1980-），男，江苏籍，讲师，博士，研究方向为功率变换器及其控制，EMI设计及浪涌防护，无线电能传输。