電涌保護(hù)器的工作機(jī)制與應(yīng)用分析論文
摘要：探討了電涌保護(hù)器（SPD）應(yīng)用中的4個(gè)頗有爭(zhēng)議的問題，這就是SPD的響應(yīng)時(shí)間、多級(jí)SPD的動(dòng)作順序、不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關(guān)系。最后說明了SPD應(yīng)用中各電壓之間的相互關(guān)系。
關(guān)鍵詞：電涌保護(hù)器響應(yīng)時(shí)間沖擊電流防雷保護(hù)
一、前言
電涌保護(hù)器(SPD)是抑制由雷電、電氣系統(tǒng)操作或靜電等所產(chǎn)生的沖擊電壓，保護(hù)電子信息技術(shù)產(chǎn)品必不可少的器件。隨著各種電子信息技術(shù)產(chǎn)品越來越多地滲入到社會(huì)和家庭生活的各個(gè)領(lǐng)域，SPD的使用范圍日益擴(kuò)大，市場(chǎng)需求量日益增長(zhǎng)。
總的來說，電子信息技術(shù)產(chǎn)品的過電壓保護(hù)還是一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域，兩相關(guān)于SPD的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1和IEC61643-21發(fā)表才幾年，有關(guān)SPD應(yīng)用中的許多問題還存在著爭(zhēng)議，本文就其中的4個(gè)問題提出筆者個(gè)人的看法，以期引起討論。它們是：SPD的響應(yīng)時(shí)間，多級(jí)SPD的動(dòng)作順序，不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關(guān)系。最后對(duì)SPD應(yīng)用中各個(gè)電壓之間的相互關(guān)系作了說明。
二、SPD的響應(yīng)時(shí)間
不少人錯(cuò)誤地認(rèn)為，響應(yīng)時(shí)間是衡量SPD保護(hù)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，制造廠也在其技術(shù)資料中列明了這一參數(shù)，但許多制造廠并不知道它的確切含義，也未進(jìn)行過測(cè)量。一個(gè)流行的觀點(diǎn)是，在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，SPD對(duì)入侵的沖擊無抑制作用，沖擊電壓是"原樣透過"SPD而作用在下級(jí)的設(shè)備上。這不符合SPD的是工作情況，是錯(cuò)誤的。
SPD中對(duì)沖擊過電壓起抑制作用的非線性元件，按其工作機(jī)理可區(qū)分為"限壓型"（如壓敏電阻器、穩(wěn)壓二極管）和"開關(guān)型"（如氣體放電管、可控硅）。
氧化鋅壓敏電阻器是一種化合物半導(dǎo)體器件，其中的電流對(duì)于加在它上面的電壓的響應(yīng)本質(zhì)上是很快的。
那么，以前的技術(shù)資料中所說的用壓敏電阻構(gòu)成的SPD響應(yīng)時(shí)間r≤25ns是怎么回事呢？
這是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEEC62.33-1982[2]中定義的響應(yīng)時(shí)間，它是一個(gè)用來表征"過沖"特性的物理量，與通常意義上的響應(yīng)時(shí)間是完全不同的另外一個(gè)概念。為了說明這一點(diǎn)。
IEEEC62.3(6.3)電壓過沖（UOS）。在沖擊電流波前很陡、數(shù)值又很大時(shí)，測(cè)量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結(jié)果表明，它大于以8/20標(biāo)準(zhǔn)波時(shí)的限制電壓。這種電壓增量UOS稱作"過沖"。盡管壓敏電阻材料本身對(duì)陡沖擊的響應(yīng)時(shí)間有所不同，但差別不大。造成過沖的主要原因是在器件的載流引線周圍建立起了磁場(chǎng)，該此磁場(chǎng)在器件引線和被保護(hù)線路之間的環(huán)路中，或者在引線與模擬被保護(hù)線路的測(cè)量電路之間的環(huán)路感應(yīng)出電壓。
在典型的使用情況下，一定的引線長(zhǎng)度是不可避免的，這種附加電壓將加在壓敏電阻器后面的被保護(hù)線路上，所以在沖擊波波前很陡而數(shù)值又很大的條件下測(cè)量限制電壓時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到電壓過沖對(duì)于引線長(zhǎng)度和環(huán)路耦合的依賴關(guān)系，而不能把過沖作為器件內(nèi)在的特性來看待。
近幾年來發(fā)表的國(guó)際電工委員會(huì)關(guān)于SPD的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應(yīng)時(shí)間這一參數(shù)：IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)C62.62-2000[]更明確指出，波前響應(yīng)的技術(shù)要求對(duì)SPD的典型應(yīng)用而言是沒有必要的，可能引起技術(shù)要求上的誤導(dǎo)，因此如無特別要求，不規(guī)定該技術(shù)要求，也不進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)量、計(jì)算或其他認(rèn)證。這是因?yàn)椋?/p>
（1）對(duì)于沖擊保護(hù)這一目的而言，在規(guī)定條件下測(cè)得的限制電壓，才是十分重要的特性。
（2）SPD對(duì)波前的響應(yīng)特性不僅與SPD的內(nèi)部電抗以及對(duì)沖擊電壓起限制作用的.非線性元件的導(dǎo)電機(jī)理有關(guān)，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關(guān)，連接線的長(zhǎng)短和接線方式也有重要影響。
筆者認(rèn)為，對(duì)于電源保護(hù)用SPD，以下三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是重要的：①限制電壓（保護(hù)電平）；②通流能力（沖擊電流穩(wěn)定性）；③3連續(xù)工作電壓壽命。
三、多級(jí)SPD的動(dòng)作順序
當(dāng)單級(jí)SPD不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規(guī)定保護(hù)電平以下時(shí)，就要采用含有二級(jí)、三級(jí)或更多級(jí)非線性抑制元件的SPD。
非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實(shí)用中RV1也可以使氣體放電管，Ｒv2也可以是穩(wěn)壓管或浪涌抑制二極管（TVS管）。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導(dǎo)通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2>Un1。
有人認(rèn)為，當(dāng)入侵沖擊波加在X-E端子上時(shí)，總是第一級(jí)RV1先導(dǎo)銅，然后才是第二級(jí)。實(shí)際上，第一級(jí)或第二級(jí)先導(dǎo)通都是可能的，這取決于以下因素：
(1)入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速（di/dt）；
(2)非線性元件Rv1和RV2的導(dǎo)通電壓Un1和Un2的相對(duì)大小；
(3)隔離阻抗Zs的性質(zhì)是電阻還是電感，以及它們的大小。
當(dāng)Zs為電阻Rs時(shí)，多數(shù)情況是第二級(jí)先導(dǎo)通。第二級(jí)導(dǎo)通后，當(dāng)沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級(jí)才導(dǎo)通。第一級(jí)導(dǎo)通后，由于在大電流下第一級(jí)的等效阻抗比Rs加第二級(jí)的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經(jīng)第一級(jí)泄放，而經(jīng)第二級(jí)泄放的電流則要小得多。若第一級(jí)為氣體放電管，它導(dǎo)通后的殘壓通常低于第二級(jí)的導(dǎo)通電壓Un2，于是第二級(jí)截止，剩余沖擊電流全部經(jīng)第一級(jí)氣體放電管泄放。
若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當(dāng)快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級(jí)先導(dǎo)通。若第一級(jí)導(dǎo)通時(shí)的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當(dāng)條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時(shí)，第二級(jí)才導(dǎo)通。第二級(jí)導(dǎo)通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個(gè)較低的電平上。
四、不同波形沖擊電流的等效變換
SPD的沖擊電流試驗(yàn)會(huì)碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對(duì)于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進(jìn)行不同波形沖擊電流的峰值換算，有人主張按電荷量相等的原則進(jìn)行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對(duì)時(shí)間積分，求得總的電荷量，令兩個(gè)電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點(diǎn)關(guān)系，顯然是不切合實(shí)際的。還有人主張按能量相等的原則進(jìn)行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個(gè)電流波形，還要知道當(dāng)這兩個(gè)電流波流入電壓抑制元件時(shí)，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對(duì)時(shí)間積分得出能量，令兩個(gè)能量值相等，就可得到兩個(gè)電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法考慮到了具體的非線性元件，但沒有考慮沖擊電流的熱效應(yīng)和電流值很大時(shí)的電動(dòng)力效應(yīng)。實(shí)際上就氧化鋅壓敏電阻而言，它能承受的8/20沖擊電流的能量比承受2ms時(shí)的能量大。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的沖擊電流能量隨電極面積的變化。可見，能量相等的原則至少對(duì)壓敏電阻是不適用的。
對(duì)氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機(jī)理的研究得出了下述結(jié)果[4]；在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種，當(dāng)大沖擊電流的時(shí)間寬度不大于50μs時(shí)（例如4/10和8/20波），電阻體開裂；當(dāng)電流值較小而時(shí)間寬度大于100μs時(shí)（例如10/350、10/1000和2ms波），電阻體穿孔。兩種不同破壞模式可以這樣解釋：時(shí)間很短的大電流在電阻體內(nèi)產(chǎn)生的熱量來不及向周圍傳導(dǎo)，是個(gè)絕熱過程，加上電阻體的不均勻使電流的分布不均勻，這樣電阻體不同部位之間的溫差很大，形成很大的熱應(yīng)力而使電阻體開裂。當(dāng)沖擊電流的作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電阻體不均勻造成的電流集中，使電阻體材料熔化而形成穿孔。
使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A·cm-2)與沖擊電流波的時(shí)間寬度r（μs）之間的關(guān)系，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中大體為一條斜率為負(fù)值的直線，因而可用下面的方程式來表達(dá)：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是與具體器件相關(guān)的兩個(gè)常數(shù)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料推算出來，于是就可以計(jì)算出這種產(chǎn)品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。
綜上所述，對(duì)于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進(jìn)行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應(yīng)以兩種不同波形（例8/20、10/350）的沖擊電流對(duì)所選定的壓敏電阻進(jìn)行試驗(yàn)，分別得出使試樣失效的兩個(gè)電流峰值，代入上式，求得常數(shù)C和K的具體數(shù)值，然后利用該公式進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)式不一定進(jìn)行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達(dá)到-10%作為失效判據(jù)。
應(yīng)當(dāng)指出，就是不同企業(yè)、不同批次的壓敏電阻器，盡管尺寸規(guī)格相同，但實(shí)際能承受的沖擊電流（能量）的水平可能相差很大，因此必須對(duì)每批供貨逐批抽樣檢驗(yàn)。
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