電涌保護器的工作機制與應用分析論文
摘要：探討了電涌保護器（SPD）應用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應時間、多級SPD的動作順序、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系。最后說明了SPD應用中各電壓之間的相互關系。
關鍵詞：電涌保護器響應時間沖擊電流防雷保護
一、前言
電涌保護器(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，保護電子信息技術產(chǎn)品必不可少的器件。隨著各種電子信息技術產(chǎn)品越來越多地滲入到社會和家庭生活的各個領域，SPD的使用范圍日益擴大，市場需求量日益增長。
總的來說，電子信息技術產(chǎn)品的過電壓保護還是一個新的技術領域，兩相關于SPD的國際標準IEC61643-1和IEC61643-21發(fā)表才幾年，有關SPD應用中的許多問題還存在著爭議，本文就其中的4個問題提出筆者個人的看法，以期引起討論。它們是：SPD的響應時間，多級SPD的動作順序，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系。最后對SPD應用中各個電壓之間的相互關系作了說明。
二、SPD的響應時間
不少人錯誤地認為，響應時間是衡量SPD保護性能的一個重要指標，制造廠也在其技術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，也未進行過測量。一個流行的觀點是，在響應時間內(nèi)，SPD對入侵的沖擊無抑制作用，沖擊電壓是"原樣透過"SPD而作用在下級的設備上。這不符合SPD的是工作情況，是錯誤的。
SPD中對沖擊過電壓起抑制作用的非線性元件，按其工作機理可區(qū)分為"限壓型"（如壓敏電阻器、穩(wěn)壓二極管）和"開關型"（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體器件，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應本質上是很快的。
那么，以前的技術資料中所說的用壓敏電阻構成的SPD響應時間r≤25ns是怎么回事呢？
這是技術標準IEEEC62.33-1982[2]中定義的響應時間，它是一個用來表征"過沖"特性的物理量，與通常意義上的響應時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點。
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，測量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結果表明，它大于以8/20標準波時的限制電壓。這種電壓增量UOS稱作"過沖"。盡管壓敏電阻材料本身對陡沖擊的響應時間有所不同，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，該此磁場在器件引線和被保護線路之間的環(huán)路中，或者在引線與模擬被保護線路的測量電路之間的環(huán)路感應出電壓。
在典型的使用情況下，一定的引線長度是不可避免的，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量限制電壓時，必須認識到電壓過沖對于引線長度和環(huán)路耦合的依賴關系，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)表的國際電工委員會關于SPD的技術標準IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應時間這一參數(shù)：IEEE技術標準C62.62-2000[]更明確指出，波前響應的技術要求對SPD的典型應用而言是沒有必要的，可能引起技術要求上的誤導，因此如無特別要求，不規(guī)定該技術要求，也不進行試驗、測量、計算或其他認證。這是因為：
（1）對于沖擊保護這一目的而言，在規(guī)定條件下測得的限制電壓，才是十分重要的特性。
�。�2）SPD對波前的響應特性不僅與SPD的內(nèi)部電抗以及對沖擊電壓起限制作用的.非線性元件的導電機理有關，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關，連接線的長短和接線方式也有重要影響。
筆者認為，對于電源保護用SPD，以下三項技術指標是重要的：①限制電壓（保護電平）；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SPD的動作順序
當單級SPD不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規(guī)定保護電平以下時，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實用中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的導通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2>Un1。
有人認為，當入侵沖擊波加在X-E端子上時，總是第一級RV1先導銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導通都是可能的，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的導通電壓Un1和Un2的相對大小；
(3)隔離阻抗Zs的性質是電阻還是電感，以及它們的大小。
當Zs為電阻Rs時，多數(shù)情況是第二級先導通。第二級導通后，當沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級才導通。第一級導通后，由于在大電流下第一級的等效阻抗比Rs加第二級的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經(jīng)第一級泄放，而經(jīng)第二級泄放的電流則要小得多。若第一級為氣體放電管，它導通后的殘壓通常低于第二級的導通電壓Un2，于是第二級截止，剩余沖擊電流全部經(jīng)第一級氣體放電管泄放。
若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級先導通。若第一級導通時的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導通。第二級導通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個較低的電平上。
四、不同波形沖擊電流的等效變換
SPD的沖擊電流試驗會碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進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行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對時間積分，求得總的電荷量，令兩個電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點關系，顯然是不切合實際的。還有人主張按能量相等的原則進行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個電流波形，還要知道當這兩個電流波流入電壓抑制元件時，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個時刻對應的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對時間積分得出能量，令兩個能量值相等，就可得到兩個電流峰值之間的比例關系了。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和電流值很大時的電動力效應。實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�？梢�，能量相等的原則至少對壓敏電阻是不適用的。
對氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機理的研究得出了下述結果[4]；在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種，當大沖擊電流的時間寬度不大于50μs時（例如4/10和8/20波），電阻體開裂；當電流值較小而時間寬度大于100μs時（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，是個絕熱過程，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，形成很大的熱應力而使電阻體開裂。當沖擊電流的作用時間較長時，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)與沖擊電流波的時間寬度r（μs）之間的關系，在雙對數(shù)坐標中大體為一條斜率為負值的直線，因而可用下面的方程式來表達：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是與具體器件相關的兩個常數(shù)，可以根據(jù)實驗資料推算出來，于是就可以計算出這種產(chǎn)品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。
綜上所述，對于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應以兩種不同波形（例8/20、10/350）的沖擊電流對所選定的壓敏電阻進行試驗，分別得出使試樣失效的兩個電流峰值，代入上式，求得常數(shù)C和K的具體數(shù)值，然后利用該公式進行計算。試驗式不一定進行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達到-10%作為失效判據(jù)。
應當指出，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，因此必須對每批供貨逐批抽樣檢驗。
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