在新能源發(fā)電、電動汽車、數(shù)據(jù)中心等直流供電系統(tǒng)中，過壓故障是導(dǎo)致設(shè)備損壞的主要誘因之一。據(jù)統(tǒng)計，電力電子設(shè)備故障中約35%與過壓事件相關(guān)，其中直流側(cè)過壓占比達(dá)62%。本文以基于TVS二極管與MOSFET的復(fù)合型直流過壓保護(hù)電路為例，系統(tǒng)闡述其工作原理、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計及工程實現(xiàn)方法。

一、過壓保護(hù)電路的核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

復(fù)合型直流過壓保護(hù)電路采用三級防護(hù)架構(gòu)，由瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管、N溝道增強型MOSFET和比較器電路構(gòu)成（圖1）。該拓?fù)浣Y(jié)合了TVS二極管的快速響應(yīng)特性與MOSFET的低導(dǎo)通損耗優(yōu)勢，實現(xiàn)納秒級保護(hù)與高效能量傳輸?shù)钠胶狻?

圖1：復(fù)合型直流過壓保護(hù)電路拓?fù)?

（示意圖說明：輸入直流電壓Vin連接至TVS二極管陰極，TVS陽極通過限流電阻R1連接至比較器正輸入端；MOSFET源極接Vin，漏極接負(fù)載Vout，柵極通過分壓電阻R2、R3連接至Vin；比較器負(fù)輸入端接參考電壓Vref，輸出端通過驅(qū)動電阻Rg連接至MOSFET柵極）

二、關(guān)鍵器件選型與參數(shù)設(shè)計

1. TVS二極管動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化

選擇TVS二極管時需重點關(guān)注三大參數(shù)：

擊穿電壓Vbr：應(yīng)設(shè)置為系統(tǒng)額定電壓的1.1~1.2倍。例如在48V通信電源系統(tǒng)中，選用SMBJ58CA（Vbr=58V）可提供足夠保護(hù)裕量。

峰值脈沖功率Pppm：需根據(jù)預(yù)期浪涌電流計算。對于10/1000μs波形，若浪涌電流為50A，則需選擇Pppm≥50A×58V=2900W的器件。

鉗位電壓Vc：應(yīng)低于MOSFET的Vds(max)安全工作區(qū)。某光伏逆變器項目選用SMAJ60CA（Vc=78V@IPP=1A），成功將MOSFET承受電壓限制在安全范圍內(nèi)。

2. MOSFET的動態(tài)導(dǎo)通控制

采用分壓電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)MOSFET的智能導(dǎo)通：

閾值電壓設(shè)定：通過R2、R3分壓使比較器翻轉(zhuǎn)電壓Vth=0.9×Vbr。例如在100V系統(tǒng)中，設(shè)置Vth=90V，當(dāng)Vin超過該值時比較器輸出低電平，快速關(guān)斷MOSFET。

柵極驅(qū)動優(yōu)化：選用圖騰柱驅(qū)動電路提升開關(guān)速度。某電動汽車充電模塊測試表明，采用TC4420驅(qū)動器可將MOSFET關(guān)斷時間從200ns縮短至35ns。

雪崩能量耐受：選擇具有足夠EAS（單次脈沖雪崩能量）的器件。在1200V系統(tǒng)中，選用IPP60R190P7（EAS=120mJ@100V）可承受持續(xù)10μs的過壓事件。

三、動態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)化技術(shù)

1. 寄生參數(shù)抑制策略

通過PCB布局優(yōu)化減少寄生電感：

TVS二極管布局：采用"短而粗"的連接方式，使寄生電感≤5nH。某服務(wù)器電源項目通過此優(yōu)化，將TVS鉗位時間從50ns縮短至12ns。

MOSFET去耦電容：在柵極并聯(lián)0.1μF陶瓷電容，可抑制高頻振蕩。測試顯示，添加電容后柵極電壓過沖從8V降至2V。

2. 多級保護(hù)協(xié)同機制

構(gòu)建"TVS+MOSFET+熔斷器"三級防護(hù)體系：

第一級（TVS）：響應(yīng)時間<1ns，吸收80%的浪涌能量

第二級（MOSFET）：在100ns內(nèi)切斷電路，限制剩余能量

第三級（熔斷器）：作為最終保護(hù)，在持續(xù)過流時熔斷

某數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)采用該方案后，成功通過IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)要求的8/20μs 4kV浪涌測試。

四、工程應(yīng)用案例分析

在某400V直流儲能系統(tǒng)中，采用以下保護(hù)方案：

TVS選型：選用5.0SMDJ600CA（Vbr=600V，Pppm=5000W）

MOSFET配置：采用IPW60R040C7（Vds=600V，Rds(on)=4mΩ@10V）

控制電路：使用LM5050-1過壓保護(hù)控制器，設(shè)置閾值為550V

實測數(shù)據(jù)顯示：

響應(yīng)時間：85ns（從過壓發(fā)生到MOSFET完全關(guān)斷）

鉗位電壓：620V（在50A浪涌電流下）

功率損耗：靜態(tài)損耗<0.5W，動態(tài)損耗<15W（在10kHz開關(guān)頻率下）

五、發(fā)展趨勢與前沿技術(shù)

隨著第三代半導(dǎo)體材料的普及，GaN HEMT開始應(yīng)用于過壓保護(hù)領(lǐng)域。英飛凌的CoolGaN?系列器件在相同耐壓等級下，開關(guān)速度比Si MOSFET提升5倍，導(dǎo)通電阻降低80%。此外，基于數(shù)字控制器的自適應(yīng)保護(hù)技術(shù)正在興起，通過實時監(jiān)測電壓斜率動態(tài)調(diào)整保護(hù)閾值，在某光伏逆變器中實現(xiàn)保護(hù)靈敏度提升300%。

在碳達(dá)峰目標(biāo)驅(qū)動下，直流配電系統(tǒng)的電壓等級不斷提升（如±375V、±750V），這對過壓保護(hù)技術(shù)提出更高要求。通過TVS二極管與MOSFET的復(fù)合設(shè)計，結(jié)合智能控制算法，可構(gòu)建出響應(yīng)速度快、損耗低、可靠性高的新一代直流過壓保護(hù)方案。這種技術(shù)演進(jìn)不僅提升了電力電子設(shè)備的生存能力，更為新能源并網(wǎng)、電動汽車充電等關(guān)鍵領(lǐng)域的安全運行提供了堅實保障。