ผลกระทบของแรงดันไฟกระชากชั่วคราวและไฟกระชากต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะแตกต่างกันไป ตั้งแต่ข้อผิดพลาดเล็กน้อยที่น่ารำคาญไปจนถึงผลที่ตามมาจากหายนะที่อาจทำให้เกิดความเสียหายต่อส่วนประกอบของวงจร สาเหตุของปรากฏการณ์ชั่วคราวดังกล่าวมีหลากหลาย เช่น ฟ้าผ่า ไฟฟ้าสถิตย์ และการปล่อยประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (รูปที่ 1)
รูปที่ 1: ภาวะชั่วคราวอาจเกิดจากฟ้าผ่า ไฟฟ้าสถิตย์ หรือการคายประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรงต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่มีการป้องกัน (แหล่งรูปภาพ: Littelfuse Inc. )
ภาวะชั่วครู่ดังกล่าวสามารถสร้างพัลส์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดตั้งแต่หลายร้อยโวลต์ถึงหลายหมื่นโวลต์ และกระแสถึงระดับกิโลแอมแปร์ โดยมีระยะเวลาตั้งแต่หลายร้อยนาโนวินาทีถึงมิลลิวินาที
การย่อขนาดของไอซีและโปรเซสเซอร์ รวมถึงการลดแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ ทำให้ไอซีและโปรเซสเซอร์มีความไวต่อภาวะชั่วครู่ทางไฟฟ้ามากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับยานพาหนะที่ควบคุมโดยระบบอิเล็กทรอนิกส์หลายระบบ รวมถึงเครื่องยนต์ พวงมาลัย การเบรก เครื่องปรับอากาศ และความบันเทิง
เพื่อปกป้องวงจรที่มีความละเอียดอ่อน จึงมีการพัฒนากลยุทธ์การออกแบบที่หลากหลาย รวมถึงการเดินสายแบบมีฉนวน ตัวกรอง ระบบป้องกันส่วนโค้ง และอุปกรณ์จับยึด การป้องกันและการกรองใช้การออกแบบแบบพาสซีฟ ในขณะที่การปราบปรามส่วนโค้งและการป้องกันแคลมป์ใช้กลไกที่ทำงานอยู่ ช่องประกายไฟ ท่อระบายแก๊ส ไทริสเตอร์ และอุปกรณ์ดับเพลิงส่วนโค้งอื่นๆ จะเบี่ยงเบนกระแสชั่วคราวลงกราวด์เพื่อป้องกันวงจร เมื่ออุปกรณ์ดับเพลิงอาร์คอยู่ในสถานะใช้งาน อุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกันจะไม่ทำงาน แต่เมื่อไฟชั่วคราวหายไป อุปกรณ์ก็สามารถทำงานได้ตามปกติ
อุปกรณ์จับยึดประกอบด้วยวาริสเตอร์โลหะออกไซด์ (MOV) ไดโอดซีเนอร์ และไดโอดถล่มแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) ซึ่งรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ทั่วทั้งอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกันโดยการเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ เทคโนโลยีเหล่านี้สามารถใช้ได้ทีละรายการหรือพร้อมกันก็ได้ ไดโอด TVS ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นอุปกรณ์จับยึดเนื่องจากมีความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็วและการกระจายพลังงานสูง
ไดโอดลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว
ไดโอด TVS เป็นไดโอดถล่มที่ใช้เป็นอุปกรณ์จับยึด เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกินแรงดันพังทลายของหิมะถล่ม มันจะเปลี่ยนกระแสที่มากเกินไปและรักษาหรือยึดแรงดันไฟฟ้าไว้ที่ศักย์คงที่ เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ต่ำกว่าค่าพังทลาย ระบบจะรีเซ็ตโดยอัตโนมัติ
ไดโอด TVS สามารถใช้เป็นอุปกรณ์ทิศทางเดียวเพื่อป้องกันภาวะชั่วคราวแบบขั้วเดียว เช่นเดียวกับอุปกรณ์แบบสองทิศทางเพื่อป้องกันภาวะชั่วคราวของขั้วใดๆ (รูปที่ 2) อุปกรณ์แบบสองทิศทางสามารถมีความสมมาตร โดยสามารถจับยึดแรงดันไฟฟ้าขั้วใดๆ ที่มีแอมพลิจูดเท่ากัน หรือไม่สมมาตร ซึ่งสามารถจับยึดกับระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันโดยขึ้นอยู่กับขั้วของภาวะชั่วครู่
รูปที่ 2: ลักษณะการแยกแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันและสัญลักษณ์แผนผังของอุปกรณ์ TVS สามเครื่อง (แหล่งรูปภาพ: Littelfuse Inc. )
หลักการทำงานของไดโอด TVS แบบทิศทางเดียวนั้นคล้ายคลึงกับหลักการทำงานของไดโอดแบบธรรมดา โดยจะดำเนินการเมื่อมีไบแอสไปข้างหน้า และไม่ดำเนินการเมื่อมีไบแอสย้อนกลับ จนกว่าจะเกินแรงดันพังทลาย (VBR) ของไดโอด เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เกิน VBR ไดโอดจะดำเนินการ โดยรักษาแรงดันไฟฟ้าข้ามขั้วไว้ที่แรงดันแคลมป์ (VC) กำลังสูงสุดที่ไดโอดนี้สามารถกระจายได้คือกระแสพัลส์สูงสุด (IPP) x VC
ไดโอด TVS แบบสองทิศทางเทียบเท่ากับไดโอดแบบแบ็คทูแบ็คสองตัว เมื่อไม่เกินแรงดันพังทลาย (VBR) ในทิศทางใดๆ จะมีเพียงกระแสไฟรั่วย้อนกลับ (IR) ขนาดเล็กเท่านั้นที่ไหล การดำเนินการนี้จะสมมาตรเนื่องจากแอมพลิจูดของแรงดันพังทลายภายใต้เงื่อนไขไบแอสทั้งสองจะเท่ากัน
ฟังก์ชั่นของไดโอด TVS แบบอสมมาตรนั้นคล้ายคลึงกับการทำงานของอุปกรณ์แบบสองทิศทาง แต่แรงดันพังทลาย (VBR1 และ VBR2) จะแตกต่างกัน
ไดโอด TVS แบบอสมมาตร
คุณอาจสงสัยว่าเหตุใดจึงต้องใช้ไดโอด TVS แบบอสมมาตร ส่วนประกอบเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อปกป้องตัวขับเกตบน MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เนื่องจากความเร็วในการสลับที่รวดเร็วของ SiC ไดรเวอร์เหล่านี้จึงมีแนวโน้มที่จะได้รับความเสียหายที่เกิดจากแรงดันไฟเกินชั่วคราว มาดู SiC MOSFET หรือ Traction Inverter ที่ใช้ชาร์จรถยนต์กันดีกว่า (รูปที่ 3)
รูปที่ 3: TVS แบบอสมมาตร TPSMB1505CA ใช้เพื่อปกป้องไดรเวอร์สวิตช์เกต SiC MOSFET (แหล่งรูปภาพ: Littelfuse Inc. )
TVS แบบอสมมาตร Littelfuse TPSMB1505CA ใช้เพื่อปกป้องไดรเวอร์เกตของ MOSFET ไดรเวอร์เกตมีสองสถานะ แรงดันไฟฟ้าเกตในสถานะเปิดอยู่ระหว่าง -5 ถึง 10 V ในขณะที่อยู่ในสถานะปิดจะต่ำกว่า -10 V แรงดันไฟฟ้าพังทลายของแคโทด (K) ถึงแอโนด (A) ของ TPSMB1505CA คือ 16.7 ถึง 18.5 V และแรงดันแคลมป์สูงสุดคือ 24.4 V Ipp ในทิศทางนี้คือ 24.6 A และระยะเวลาพัลส์ชั่วคราวคือ 10 ถึง 1,000 ms
แรงดันพังทลายของ TVS จาก A ถึง K คือ 6.8 ถึง 7.4 V และแรงดันแคลมป์สูงสุดคือ 11.5 V กระแสพัลส์สูงสุดในทิศทางนี้คือ 60 A และระยะเวลาพัลส์ชั่วคราวคือ 10 ถึง 1,000 ms เช่นกัน เป็นที่น่าสังเกตว่าสามารถทำได้ผ่านองค์ประกอบเดียวเท่านั้น หากใช้ส่วนประกอบอิสระเพื่อให้ได้โหมดการทำงานที่ไม่สมมาตร ส่วนประกอบหลายชิ้นจำเป็นต้องทำงานร่วมกัน
ไดโอด TVS ซีรีส์อสมมาตรของ Littelfuse TPSMB (รูปที่ 4) มีส่วนประกอบเพิ่มเติมสององค์ประกอบที่มีแรงดันพังทลาย K ถึง A ที่แตกต่างกัน TPSMB1805CA ให้ช่วงแรงดันไฟฟ้าพังทลาย K ถึง A 20.0 ถึง 21.1 V โดยมีแรงดันไฟฟ้าแคลมป์สูงสุด 29.2 V อัตรา Ipp คือ 20.6 A และระยะเวลาพัลส์คือ 10 ถึง 1000 ms ช่วงแรงดันไฟฟ้าพังทลาย A ถึง K เหมือนกับ TPSMB1505CA (6.8 ถึง 7.4 V)