瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極體是一種雙端半導體元件，用於吸收瞬態電能突波。其應用範圍十分廣泛，從靜電放電 (ESD) 輸入電路保護到「捕捉」繼電器的感應電壓反激（返馳電壓）均有涉及。 TVS 半導體裝置的獨特之處在於其能夠箝位在預設電壓。本文中的範例箝位電壓為 48VDC。這種箝位作用可以保護下游的敏感電子元件。雙向 TVS 二極體可以理解為兩個背對背安裝的齊納二極體。相較之下，單向 TVS 二極體可以理解為一個齊納二極體與一個普通二極體串聯。
在本工程簡報中，我們將探討如圖 1 所示的 Schneider LCD09BD 三相接觸器，並專注於如圖 2 所示的整合式 LAD4TBDL TVS 二極體模組。我們將分析其關斷瞬態電壓，並解釋為什麼這種類型的接觸器難以直接使用電晶體驅動。這些概念將在後續文章中進一步探討，屆時我們將使用 3.3V 直流 Arduino 微控制器來驅動這款大型 Schneider 接觸器。
我們鼓勵您閱讀這篇相關文章，其中建議使用插入繼電器來適應與 TVS 二極體相關的更高電壓。請注意，上一篇文章假設接觸器用於源系統，其線圈的一側接地。您目前正在閱讀的文章假設採用下沉式配置，其中線圈的一側參考正極電源。
這種下沉配置很容易被 Arduino 社群的成員所識別，他們可能使用接地參考（共發射極配置）NPN 電晶體來啟動繼電器。有關術語“下沉”和“採購”的介紹，請查看本文。
圖 1：Schneider Electric LC1D09BD 繼電器的圖片。整合的 LAD4TBDL TVS 二極體在接觸器右下角顯示為白色組件。
圖 2：Schneider Electric LAD4TBDL「雙向二極體」的特寫。TVS 二極體的電路符號位於卡扣式模組的中心。
為什麼在繼電器返馳電路中使用 TVS 二極體而不是普通二極體？
繼電器的開路速度是使用 TVS 二極體的主要原因，尤其是在與傳統二極體進行比較時。為了理解這一點，我們需要回顧一下電路理論課的內容。我們知道，電感器中的動能與磁場密不可分。這種儲存的能量可以用以下公式定義：
Energy_{Inductor} = 0.5 LI^2
我們透過將能量耗散在線圈電阻上，以及少量耗散在傳統二極體上來消除這種能量。而使用 TVS 二極體，我們會將線圈能量耗散在線圈電阻上，以及相當一部分耗散在 TVS 二極體上。這種速度取決於 TVS 二極體的箝位電壓；更高的額定電壓會更快地消耗線圈能量。其結果是繼電器或接觸器快速斷開。
技術提示：您可能已經注意到許多開關都具有快速斷開功能。這種快速彈簧動作對於抑制電弧至關重要。請記住，感性負載會產生瞬態反激電壓。通常，快速斷開開關可以防止這種瞬態電弧形成持續電弧。繼電器、接觸器和斷路器也是如此。快速斷開機制是防火防爆的重要組成部分。
傳統二極體與TVS二極體的比較範例
透過比較圖 3 和圖 4，可以很容易地理解 TVS 二極體的優勢。圖 3 顯示了使用整合 TVS 二極體時接觸器的關斷時間，圖 4 顯示了使用傳統二極體時同一接觸器的關閉時間。結果非常顯著，TVS 二極體耗散電感器的能量僅需約 30ms，而傳統二極體則需要超過 250ms。顯然，TVS 二極體能夠更快地耗散能量，有利於繼電器/接點的快速斷開。
我們可以透過使用更高電壓額定值的 TVS 二極體來提高速度。這對於某些應用來說可能是個好主意，但當我們考慮用於控制繼電器/接觸器通斷的半導體裝置的 V_{DS} 或 V_{CE} 額定值時，就會面臨挑戰。
技術提示：為了更好地理解 TVS 二極體的優勢，可以考慮繼電器線圈的電感特性。電感器會阻礙電流的變化。在關斷等瞬態過程中，它會產生必要的電壓來保持電流恆定。因此，線圈的電壓會被箝位在續流二極體所設定的電壓值上。了解了這些，我們可以將 TVS 二極體視為功率耗散元件，其功率由公式 P = IE 定義。
圖 3：TVS 二極體相對於 24VDC 電源軌箝位在約 48VDC。總關斷時間約 30ms。
圖 4：傳統二極體箝位電壓約為 0.6VDC（相對於 24VDC 電源軌）。總關斷時間約 250ms，較為緩慢。
技術提示：圖 3 和圖 4 中的波形是使用 Digilent Analog Discovery 3 Pro 套裝產生的。此套裝包含 Discovery 主機、轉接器板和示波器探頭。10 倍探頭使 Discovery 能夠測量高達 250V 的電壓。
接觸器半導體控制的後續步驟
在使用 TVS 二極體進行設計時，有一個微妙且常被忽略的問題。我們常常忘記，對應的 MOSFET 或雙極型電晶體（BJT）必須具備足夠的 V_{DS} 或 V_{CE} 才能承受更高的箝位電壓。例如，如果我們使用共射極配置的NPN 電晶體，其 V_{CE} 額定值必須至少為100VDC。如圖 3 所示，這將能夠承受 48+24VDC 電壓（峰值 72V），並提供一定的安全餘裕。
這不再是一個簡單的應用，尤其是在考慮高溫降額係數的情況下。對於 NPN 電晶體應用，維恩圖（Venn diagram）很可能包含 TIP41。我們也可以找到類似規格的 MOSFET，例如 IRL510BF。
敬請期待，我們將在近期探討如何使用 3.3V 直流 Arduino 微控制器控制 Schneider 接觸器。屆時我們將看到，這並非簡單地選擇 TIP41 BJT 或 IRF510 MOSFET 就能實現的。直接使用 3.3V 直流邏輯訊號控制對於 BJT 和 MOSFET 而言如果不是勉強夠用，就是根本無法勝任。我們可能需要採用中間繼電器或多級電晶體電路。
圖 5：未來文章使用 3.3VDC Arduino 微控制器控制 Schneider 接觸器的潛在元件。
結論
TVS 二極體提供了一種簡單易用的方法來處理與繼電器或接觸器關閉事件相關的感應衝擊（返馳電壓）。TVS 二極體是首選，因為它可以快速耗散電感器中儲存的能量。這種關斷速度優勢伴隨著更高箝位電壓的成本。它需要一個能夠可靠地承受更高電壓的中間繼電器或半導體驅動器。
您覺得我在半導體裝置的選擇上是否過於保守？您會為這款帶有整合式 TVS 二極體模組的 Schneider 接觸器選擇哪種裝置？請在下方留言提出您的問題、意見或建議。尤其歡迎分享與 TVS 二極體相關的應用案例。
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問題
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圖 3 和圖 4 顯示了哪些資訊？
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繪製普通二極體、齊納二極體和雙向 TVS 二極體的電壓/電流特性曲線。
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尋找並列出 TVS 二極體的至少三個別名。
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繪製繼電器線圈感性返馳的時域圖。假設繼電器沒有箝位電路來「捕捉」返馳電壓。
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繪製一個處於漏型電路的繼電器線圈，然後再繪製一個處於源型電路的繼電器線圈。
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使用 DigiKey 參數搜尋工具，找到一個箝位電壓約為 50VDC 的雙向 TVS 二極體。
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描述繼電器線圈的動態電流/電壓特性。提示：重點在於導通和關斷之間的轉換過程。
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為什麼 TVS 二極體會使驅動半導體的 V_{DS} 或 V_{CE} 要求變得複雜？
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作者認為，對於一個採用對地箝位電壓為 70VDC 的 TVS 二極體的系統，100VDC 為驅動半導體提供了合理的安全裕度。這個假設是否合理？
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支持或反駁以下說法：繼電器線圈驅動電晶體作為開關工作，而 TVS 二極體則作為線性元件工作。
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支持或反駁以下說法：可以使用中等阻值的電阻和普通二極體來取代 TVS 二極體。提示：務必明確您的設計限制。
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請描述至少三種在開關、繼電器或斷路器中熄滅電弧的方法。針對每種方法，請說明觸點快速斷開的重要性。這種快速斷開與繼電器和 TVS 二極體有何關係？