浅谈IECEN61643-11标准以及证测试过程中常见问题

浅谈IEC/EN61643-11LowVoltageSurgeProtectiveDevices（低压浪涌保护器）标准以及认证测试过程中常见问题分析摘要：本文解读了IEC61643-11:2011,EN61643-11:2012LowVoltageSurgeProtectiveDevices低压浪涌保护器测试标准，分析了Type1SPD,TYPE2SPD,TYPE3SPD产品在认证测试过程中的常见问题关键词：SurgeProtectiveDevices,TYPE1SPD,TYPE2SPD,TYPE3SPD，性能测试，常见波形，常见问题一：前言随着国民经济的不断发展，现代化水平的快速提高，在信息化带动工业化的指引下，各类信息设备、电子计算机、精密仪器、数据网络设备的应用越来越广泛，此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，因而极易受到雷电电流脉冲的危害。每年都给人类造成巨大的直接经济损失。而因重要设备损坏使网络陷入瘫痪而造成的间接损失更是惊人，已引起国内相关领域对此类系统加强保护的高度重视，如下是一个显示电涌过电压危害的比例已经达到所有危害的31.68%。二：浪涌保护器主要冲击波形说明电压波1,2/50μsVoltageImpulse:其波头时间(从10％峰值上升到90％峰值的时间)为1.2μs；半峰值时间为50μs(见下图)8/20μs电流波8/20μscurrentImpulse：其波头时间为8μs，半峰值时间为20μs(见下图)10/350μs电流波10/350μsCurrentImpulse:其波头时间为10μs，半峰值时间为350μs(见下图)三：TYPE1SPD，TYPE2SPD和TYPE3SPD的区分方式•Type1(作为第一级防雷器，对直击雷电进行泄放，其可防范10/350μs波形)•Type2(作为第二级防雷器，针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，其需要第二级防雷器进行吸收，同时经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷电电磁脉冲辐射，当线路足够长感应雷的能量就变得足够大，需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放，具体测试时用8/20μs电流波进行测试)•Type3(作为第三级防雷器，对经过第一级和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护，具体测试时用组合波，1,2/50μs电压波和8/20μs电流波进行)四：浪涌主要电气性能测试8.3.2漏电流测试IPE（ResidualcurrentIPE）8.3.3限制电压测试Measuringlimitingvoltage，包含如下三种测试8/20µs电流波下测试的残压：针对TYPE1SPD和TYPE2SPD波前放电电压1.2/50电压波：针对含有开关型元器件的TYPE1SPD和TYPE2SPD组合波（1.2/50电压波和8/20电流波的组合波）下的限制电压：针对TYPE3SPD8.3.4动作负载测试Operatingdutytest：相比较限制电压来说，这个测试需要在加Uc的情况下进行8.3.5脱扣以及SPD在过载情况下的安全测试（包括条款8.3.5.1耐温测试，8.3.5.2热稳定测试，8.3.5.3短路性能测试，8.3.5.3.2模拟失效测试）Figure12是模式失效的测试电路Figure13是模拟失效测试时间图8.3.8（临时故障电压TOV测试，包括8.3.8.1低压用户端故障电压测试，8.3.8.1缺零情况故障电压测试，8.3.8.2高压故障电压测试）8.3.8.1LV部分TOV测试（用户安装问题导致），测试电压为1.732Uref，持续时间为5S，测试结果需要时耐受8.3.8.1LV部分TOV测试（缺零问题），测试电压为1.32Uref，持续时间为120分钟，测试结果可以是耐受，也可以是安全失效8.3.8.2HV部分TOV测试，测试电压为1200+Uref，测试时间为200mS,测试结果可以是耐受，也可以是安全失效Figure14(低压TOV的测试电路)Figure15（低压TOV的测试时间图）Figure16（高压TOV的测试电路）Figure17(高压TOV的测试时间图)TableB．1（TOV测试的测试电压）五：测试过程中出现的问题5.1对于正常冲击测试来说，比较容易出现的问题如下5.1.1压敏电阻在测试中损坏，比如炸开等下图是一个MOV损坏的样品照片，可以清晰的看到MOV已经炸开了原因分析：厂商所用MOV耐冲击能量不够，除了MOV本身的类别以外，MOV的外形尺寸也可以大概判定其实否耐冲击，比如同一个厂商同一个有认证的压敏电阻型号比如14D471K，虽然样品标志都是14D471K，但是不同厂商最终买了的MOV元器件却相差甚远，有些厚度有3.9毫米，有些只有2.1毫米甚至更薄，有些直径差不多有15毫米，有些只有13.5毫米左右，对于比较饱满并且直径较大的MOV来说，其耐冲击必然很好，而比较薄并且直径较小的MOV来说耐冲击性能则比较差。造成这种差别的原因很多，主要就是成本了。对于元器件厂商来说，一份价钱一份货，成本控制的后果必然是性能下降。样品图片比较:如下左侧和右侧的MOV的型号规格是完全一样的，但是左侧样品所用MOV比较薄，右侧所用MOV则比较厚，这样撇去其它的因素不说，单单厚薄对于测试结果来说必然大相径庭解决方法：厂商需要根据SPD需要达到的性能选用合适规格性能的MOV，检测公司对于测试样品需要适当保留下来样测试的MOV的尺寸信息以便日后保证大货的一致性避免来样和大货不一致5.1.2脱扣动作原因分析：客户选用的脱扣，比如温保的额定参数和SPD的参数不匹配，比如TYPE3SPD的Uoc为6KV，选用的温保的额定电流只有2A（有些甚至用的温保额定只有1A），这样冲击几次温保就会断开解决方法：客户需要根据SPD需要达到的性能参数选取合适的脱扣，保证脱扣的参数可以在SPD正常冲击时耐受，比如常见TYPE3SPD，Uoc小于等于6KV情况时，建议选取使用额定电流参数为5A或者10A的温保下图是TYPE1SPD和TYPE2SPD所用典型外部脱扣保险丝额定和冲击额定之间的示例5.1.3线路板Trace击穿原因分析：线路板的Trace通流量不够，SPD正常情况是不工作的，但是如果脉冲过电压产生的话，浪涌抑制性元器件MOV，GDT会瞬间变成低阻抗从而将大电流释放掉，此刻如果线路板Trace过窄的话，那么瞬间的大电流则会将Trace击穿样品图片比较：左侧是一个SPD电流释放Trace非常不合理很窄的样品图片，右侧则是一个SPD电流释放Trace较宽比较合理的样品图片，厂商还在合理的Trace上额外加了些焊锡更好的保证了通流量解决方法：厂商需要在初始设计时保证线路板的Trace以及爬漏电距离满足SPD合理的通流量5.1.4残压高于客户申称的Up原因分析：除了MOV，GDT选用排布不合理来说，导致Up较高的问题还包括SPD的连接线过细（因IEC/EN61643-11对于Type3SPD的连接导线的最细截面积没有明确说明，在建议客户用和主回路同样的导线的劝说无效的情况，我们只能对于来样测试根据标准判定，有些厂商所用的连接线甚至是22AWG（0.32mm2）,一般指示灯回路的连接导线差不多就是22AWG，但是SPD在有过电压的时候是要释放大电流的，这不是一个摆设，不过现在很多产品增加多种功能并不是真的为了达到性能，而是增加卖点。根据欧姆定律来说U=IR，残压就是释放电流和电阻（包括压敏电阻，连接导线以及线路板Trace所有的阻值），对于越细的导线来说，其阻值必然较高，也许零点几欧姆的电阻不高，但是乘以一个2KA左右的释放电流还低吗？记得以前测试TYPE1SPD和TYPE2SPD，比较专业的浪涌生产厂商对于连接导线以及测试的夹持点都非常关注和特别要求。样品图片：如下就是一个用和指示灯回路一样的导线连接的一个SPD，其仅仅在L-N之间跨接了一个14D471K的MOV，按说这种情况残压不会超过1KV，但是实际测试的残压为1.66KV，而客户标志的Up则为2.5KV，对于一个如果懂SPD性能的买家来说，其不会选择这样的产品，因为这样的SPD其实已经失去了该有的性能，Uoc3KV，Up2.5KV，这和没有浪涌保护有多少质的区别5.2对于模拟失效和短路测试来说，比较容易出现的问题如下5.2.1外壳测试后明显损坏，有的壳体炸飞，有的已经有明显的烧焦的洞，测试指可以碰到内部带电体，原因分析：选用预处理电流不合适，标准要求厂商申称的预处理电流为1~20A之间的任何一个数值，根据多次测试经验来看，1A是最容易通过的，20A测试一般样品会损坏烧毁。对于1A情况下样品仍然有如下损坏情况的可能是MOV性能不够好恢复性能差，在1200V~的预处理电压去除以后，MOV无法恢复性能已经损坏，这时进入UREF的短路情况，如果脱扣动作在不灵敏，外壳阻燃性能不好的话，MOV再紧贴着外壳的话，那么壳体炸飞以及烧焦就会产生了。样品图片：如下是测试后外壳明显损坏的样品解决方法：选用性能较好的MOV，选用合理的预处理电流，保证MOV和外壳之间有合理的距离，建议最好能保证有3毫米左右的距离5.2.1测试结束后外观完好，但是拆开看内部，脱扣没有及时动作，而是线路板的Trace炸飞导致测试回路断开原因分析：a.脱扣引脚过长，这样线路板Trace已经承受大电流的时候，引脚还没有及时将电力传到脱扣处，从而导致Trace在脱扣动作前动作，见下图（反过来说，引脚像如下这样弯一道从而里PCB较远的话，从生厂工艺上来说比较好控制，因为过锡炉的时候，温保不会动作，凡事都是双刃剑，过锡炉不动作，那么在大电流来的时候也不会动作呀。对于温保引脚靠PCB较近的情况，虽然感温灵敏，但是过锡炉时温保容易动作，这时候可能需要提高工艺或者手工保证等）b.PCB板的材料不好，一般环氧板材料比较好，那种纸板材料就不太好，容易失败c.线路板的Trace通流量不好，比如Trace太窄或者太薄等，见下图d.线路板设计不科学，比如如下，L-PE的浪涌回路从线路板上几乎绕走了一圈，这个偏离了浪涌设计要求，放电路径尽可能短，通流量尽可能大的原则，从测试结果来看也是，因为过长的放电路径，大电流在线路板上绕走一圈，测试后，脱扣还没有及时动作的情况，这一圈放电回路的Trace已经炸的面目全非了e.脱扣的电流过大，比如用的脱扣和主回路一样达到16A左右，这样其跳断的时间会比常用的3A,5A,10A的脱扣时间要长解决方法：元器件安装方式合理，选用恰当，线路板布局合理5.3对于故障电压测试来说，比较容易出现的问题如下5.3.1.低压故障电压测试8.3.8.1的用户端问题的耐受测试不耐受，SPD损坏，脱扣动作原因分析：对于常见TN，TN，IT配电系统来说，对于L-N模式，要求用户端问题的情况，能够耐受的LVTOV电压为1.32Uref=336.6Vac，等同于475.95Vdc，对于有些客户，其为了获得较好的Up数值，尽可能在L-N之间跨接一个参数较小的MOV，比如14D391K（相当在1mA情况下MOV两端的电压为390Vdc），这样故障电压数值475.95Vdc和390Vdc之间的比例差不多是1.22倍，一般MOV在两端施加的电压超过压敏电压的1.1倍或者更高的情况，容易呈现出短路状态，这样脱扣就会动作解决方法：在L-N之间跨接合理参数的MOV，比如14D561K，有些客户为了更保险，希望缺零情况也能耐受，其直接将L-N之间跨接的MOV参数变成14D681K（相当在1mA情况下MOV两端的电压为680Vdc），而测试的残压一般也不会超过2KV六：结束语本文探讨并分析了IEC61643-11:2011,EN61643-11:2012的标准测试条款。同时分析了新旧标准版本差异以及认证测试过程中需要注意的事项。本文在产品认证和工厂开发产品过程中，给认证同行以及客户提供了相关建议和参考。参考文献：IEC61643-11：2011，EN61643-11：2012:低压浪涌保护器(LowVoltageSurgeProtectiveDevices):部