摘 要：微电子敏感设备受到雷电电磁脉冲时采用电涌保护器(SPD)中的气体放电管(GDT)做过电压保护，为此研究了 GDT 物理电学特性，在 PSpice 软件仿真的基础上结合 1.2 50 ~ 8 20 μs 组合波冲击试验提出非线性电阻与电压控制开关建模的 GDT 模型，给出冲击浪涌峰值为 2 kV，3 kV，6 kV 的电压随时间和冲击放电电压、上升时间随冲击电压变化率的实验与仿真模型对比图。研究结果表明：组合波冲击试验浪涌峰值相同的条件下，该模型与实验的上升时间、冲击电压较为接近，随着浪涌峰值增大，上升时间最短;冲击电压变化率增大，冲击放电电压和上升时间均最小。
关键词：GDT;PSpice建模;过电压保护;GDT模型;冲击电压浪涌;仿真分析
随着电力电子技术的快速发展，计算机通信系统和微电子设备的应用越来越广泛[1] ，但是它们又极易受到雷电电磁脉冲的影响。这种情况下需要使用电涌保护器 SPD(Surge Protective Device)做 过 电 压 保 护 。 SPD 中，GDT(Gas Discharge Tube)是一种间隙型的雷电仿护器件，也被称为火花隙，它的工作方式为在施加瞬态过电压时基于电离气体放电工作。其工作原理是当外施加电压大于阈值电压时，GDT 表现为高值阻抗，呈现负电阻效应并在阈值电压下钳位，低于所施加的火花放电电压;当施加的电压低于阈值电压时，GDT 不导通[2⁃4] 。因为 GDT 的极间绝缘电阻高，寄生电容低，所以它通常用于释放雷电中的瞬态过电流，限制多级保护电路的前两级中的过电压。就迄今为止公布的文献来看，已有部分人员对 GDT 的电路仿真模型做了相关研究。 Julio Guillermo Zola在仿真的基础之上结合了 8/20 μs冲击试验，提出了一种基于理论的三端双向可控硅原理的 PSpice 模型，但建模原理较为复杂，响应时间和残压不理想[5] 。基于 GDT 电气特性，箫赞亮考虑了直流击穿电压、熄弧电流等物理特性参数，用 Spice算法建立了 GDT 的仿真模型，但文中没有从物理层非线性特性的角度分析建模[6] 。李建龙等人用 EMTP 软件建立 GDT 仿真模型，同时搭建 1.2/50~8/20 μs 组合波发生回路进行实验[7] ，将仿真与试验进行对比，结果表明模型冲击放电电压和通流波形均与试验结果相接近，能较好反映其在组合波冲击下的响应特性，但是文中并未给出电压控制模块和非线性电阻的具体建模过程。为此，本文提出一种基于非线性电阻与电压控制开关建模的 GDT电路模型，在仿真的基础上结合冲击试验给出了 GDT 的实用等效模型，并将它与文献[5⁃6]的模型进行了对比，分析了不同模型下GDT的性能。 1 GDT 工作原理 GDT 的工作原理[8] 是当增大管子两个电极之间的电场强度大于管中惰性气体的场强时，两电极之间便会击穿后导通，随后出现间隙，由间隙击穿电弧确定残压，该残余电压较低，如果将保护器件与 GDT 并联使用，会有抑制过电压的效果。 2 仿真电路模型 2.1 基于三端双向可控硅原理 GDT的 PSpice模型以三端双向可控硅原理[9] 为基础，用 PSpice 软件对二极管 D1，D2，D3，D4;三极管 Q1，Q2，Q3，Q4重新建模，在浪 涌 电 压 峰 值 为 2 kV 时 ，实 验 得 出 气 体 放 电 管 为 656.48 V。实验与仿真对比图如图 1、图 2所示。 2.2 基于 GDT工作过程物理特性建模的 PSpice模型文献[6]从GDT工作原理出发，考虑击穿电压、熄弧电流等众多参数，给出电路模型以及仿真对比图见图3、图4。
2.3 改进的基于非线性和电压钳位特性的 GDT模型文献[7]给出 EMTP 仿真中所用的 GDT 模型如图 5 所示。 GDT 的伏安特性通过电压控制开关(UG模块)和非线性电阻(RN模块)来实现，本文在此模型的基础上，从物理层面等效分析，对 RN和 UG模块重新建模。对 RN模块建模：设非线性电阻的伏安特性[10] 关系为 i=(f u)，在 u=uQ (uQ为静态工作点)处将(f u)泰勒展开：
3 各模型仿真结果对比分析本文改进模型、实验模型、文献[5]模型、文献[6]模型的波形对比图、冲击放电电压与冲击电压变化率关系图、上升时间与冲击电压变化率关系图如图 8~图 10 所示。
从以上波形图中可以得出，本文改进模型的 GDT 冲击放电电压更接近于实验，上升时间短，并且随着浪涌峰值的增大响应时间越来越短。表 1和表 2分别对比了实验与仿真模型在不同浪涌峰值下的冲击电压、上升时间，可以看出本文 GDT 模型的冲击电压和上升时间都与实验结果较为接近，并且冲击电压、响应时间均低于其他模型。在冲击电压变化率增大的情况下，本文改进 GDT 模型的冲击放电电压和上升时间均小于文献[5]和文献[6]。
4 结 论本文从半导体器件物理电学和非线性角度出发，基于 Pspice 软件建立一种防静电脉冲的 GDT 电路模型。搭建实验测试平台，并且采用仿真建模和测试结果比较 的方法验证了 GDT 模型的准确性。将它与文献[5⁃7]的模型进行了仿真对比，同时给出了冲击放电电压与上升时间随冲击电压变化率关系图。将结果进行了分析，对浪涌骚扰在线路由端口的防护措施有一定的指导意义。——论文作者：马海杰 1 ，路 彤 1 ，孙建浩 2 ，李晓明 1
本文来源于：《现代电子技术》(半月刊)是由陕西省科学技术厅主管，中国电子学会重点支持的科技类学术期刊。本刊主要刊载具有较高学术、技术水平和实用价值的研究课题、学术报告、科研成果和综合评述等优秀学术性论文。主要栏目：计算机科学与应用、电子与信息器件、航空航天航海技术、能源技术、激光与红外技术、前沿交叉科学、通信与信息工程、信号分析与图像处理、网络与信息安全、测控与自动化技术、电子技术及应用、能源与环境科学、智能交通与导航等。
