氧化锌压敏电阻器脉冲电流试验分析.docx

          氧化锌压敏电阻器脉冲电流试验分析                    摘要：雷电是一种大自然放电现象，雷电破坏作用和雷电流强度、能量及其波形有密切的关系，ZnO压敏电阻作为现代防雷技术的核心器件，其性能的好坏直接影响着电力系统的过电压水平和设备的绝缘水平，本文描述了氧化锌压敏电阻需要经受的不同测试标准的脉冲电流试验，模拟真实雷电浪涌对氧化锌压敏电阻造成的危害，考量氧化锌压敏电阻器的耐雷击能力关键词：氧化锌压敏电阻 脉冲电流 浪涌 模拟雷电1. 概述现代防雷技术的发展，主要体现在从直接雷击的防护发展到雷电波侵入及雷电电磁脉冲的防护，这对防雷装置的功能提出了新的要求，总体来说雷电对电路或者线路的影响是过电压或者过电流，防雷电路中将不可或缺的出现过压保护元器件与过电流保护元器件雷电浪涌时电力系统的突出问题，氧化锌压敏电阻是抑制浪涌过电压的重要设备，在电力系统保护中应用广泛，主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路从手持式电子产品到工业设备，其规格与尺寸多种多样随着手持式电子产品的广泛使用，尤其是、手提电脑、PDA、数字相机、医疗仪器等，其电路系统的速度要求更高，并且要求工作电压更低，这就对压敏电阻器提出了体积更小、性能更高的要求。

因此，表面组装的压敏电阻器元件也就开始大量涌现，而其销售年增长率要高于有引线的压敏电阻器一倍多压敏电阻在雷击电涌冲击条件下的性能将直接影响电涌保护效果因此在各国不同标准中均对压敏电阻的脉冲电流能力进行了验证2. 氧化锌压敏电阻防雷工作原理2.1氧化锌压敏电阻器的结构氧化锌压敏电阻器是一种陶瓷工艺制成的化合物半导体元件，以氧化锌为主要成分，另加少量的其他金属氧化物（颗粒），如：钴，锰，铋等压制而成，由于两种不同性质的物体组合在一起，相当于一个PN结（二极管），因此，压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组成2.2 氧化锌压敏电阻器防雷工作原理ZnO压敏电阻在设计制造过程中就已经确定了它的开关电压或者压敏电压，当压敏电压两端所施加的电压低于开关电压值时，压敏电阻呈高阻值状态，此时即使压敏电阻并联在电源线路上，也像一个断开的开关，当施加在压敏电阻两端的电压高于压敏电阻值时，压敏电阻立即呈导通钳位状态，此时压敏电阻类似于一个稳压二极管但与普通稳压二极管不同的是，压敏电阻钳位电压高低不是一成不变的，而是随着电流的大小呈非线性变化，此时就压敏电阻内阻而言，内阻数值比较小，单其变化范围仍然很大，小电流时dV/dI很大，大电流时dV/dI则很小，可见小电流时内阻比大电流时大，压敏电阻的这种动作钳位状态可以随着施加电压降低至动作电压以下而自动消失，并可以完全恢复到高阻态。

所以，当电源线路上出现高雷电压入侵时，并联接在相线与地之间的压敏电阻会动作，呈导通钳位状态，雷击电流即通过压敏电阻泄放到大地，使压敏电阻避雷器之后的电源线路电压钳位在安全范围内当雷击电压过去后，压敏电阻恢复到高阻态，电压线路也恢复到正常供电状态同样，把压敏电阻并联接在其他通信线路时，也可以把入侵通信线路时的雷电压钳位，保障进入通信设备借口的雷电压处于安全范围内，一般来说压敏电阻片径越大，它的能量耐量越大，耐冲击电流也越大压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作3. 雷电特性3.1 雷电灾害已经成为电子信息社会的一大公害，在传统的雷电防护技术中，人们把注意力放在直接雷击防护上，认为雷击的防护只需要装一支避雷针即可电子信息技术的发展，使得众多的电子系统进入千家万户、各行各业远程电力的输送使得雷电灾害出现了新的形式，即不以直接接闪伤害为特征的伴随雷电产生的雷电电磁脉冲。

雷电的高电压、大电流，和瞬时性，强大的闪电产生静电场，电磁场和电磁辐射，以及雷电波侵入，地电位反击等严重干扰通信系统和各种电子设备的正常工作，会在一定范围内对微电子设备造成破坏因此雷电成灾由直击雷发展成与间击雷的共同作用因此，为了防止雷电对电子与电气系统的干扰和破坏，针对雷电的入侵的形式，出现了像压敏电阻器这样的限压防雷元器件防雷并非是预防雷电的发生，而是给雷电能量的泄放开渠筑坝，一方面为雷电流提供一条流入大地的低阻通道，不让它冲击被保护的建筑物和设备，另一个方面也为了被保护设备筑起电磁能量的防护屏障，从空间和线路上隔离雷电流的间接影响3.2雷电破坏作用与雷电流强度、能量及其波形有密切的关系每次雷击电流的大小和波形差别很大，不同雷击闪电种类的放电差别更大雷电流具有电流的一般特性，但峰值高，陡度大、持续时间短是雷电流的一大特征世界各国测得的自然雷击波形基本是一致的，大约有80%~90%的雷电流是负极性重复脉冲，脉冲电流试验必须有一个尽量模拟自然界的雷闪以及线路或者设备上可能出现的浪涌的典型波形，这就是通常说的模拟雷电冲击波形，目前各国在冲击电流测试中对脉冲波形的要求有一定差异，在各国检测标准中该试验常定义为脉冲电流试验，或者标称放电电流试验，或者雷击浪涌电流试验。

模拟雷电流的波形分为两大类，一类是模拟直接雷击电流波形如10/350us波形，另一类是模拟雷电感应波形如1.2/50us波形，8/20us波形，10/1000us波形或者1.2/50us(8/20us)组合波形4. 氧化锌压敏电阻脉冲电流试验4.1氧化锌压敏电阻器不同类型脉冲波形介绍氧化锌压敏电阻器在GB/T 10193, GB/T 10194, IEC 61051-1, IEC 61051-2, IEC 61051-2-2, UL 1449，IEC 61643-331，GB/T 18802.331检测标准中雷击试验均采用的8/20us脉冲电流波形，上述标准除了UL 1449外还采用了10/1000us（或者2ms）脉冲电流波形和组合波1.2/50us(8/20us) 进行模拟雷电感应试验脉冲电流波形如图1所示： 脉冲电压波形如图2所示：视在前沿时间T1=1.25T 视在前沿时间T1=1.67T 图1 图2视在前沿时间T1：脉冲电流的视在前沿时间T1，是指脉冲电流从峰值的10%到90%的时间间隔的1.25倍如是脉冲电压的视在前沿时间，则是从峰值电压的30%到90%的时间间隔的1.25倍1.67倍。

视在原点O1：脉冲电流的视在原点O1是指电流达到峰值的10%这一点以前的0.1T1时刻对于线性扫描的波形图来说，该点是指通过前沿的10%和90%的点所作的直线与X轴的交点如是脉冲电压的视在原点O1是指电压达到峰值的30%这一点以前的0.3T1时刻对于线性扫描的波形图来说，该点是指通过前沿的30%和90%的点所作的直线与X轴的交点视在半峰值时间T2：脉冲电流的视在半峰值时间是指从视在原点到波尾上电流（或电压）第一次下降到半峰值的时间间隔4.2氧化锌压敏电阻器不同类型波形峰值和时间允差：波形设定最大允许误差可保证测量的准确性及仪器的准确性，意义重大：IEC 和GB系列标准允许偏差脉冲波形8/20us10/1000us组合波形开路电压波形1.2/50us短路电流波形8/20us峰值±10%±10%±10%±10%视在前沿时间T1±10%+100%, -10%±30%±20%视在半峰值时间T2±10%±20%±20%±20%视在总宽度TT-（2.5~4）T2--UL 1449标准允许偏差组合波形开路电压视在前沿时间T1开路电压视在半峰值时间T2峰值电压短路电流视在前沿时间T1短路电流视在半峰值时间T2峰值电流内部阻抗6kV, 500A1.2±0.36us50±10us+10%,-5%8（+1,-2.5）us20（+8,-4）us+10%12±3ohms6kV, 3kA1.2±0.36us50±10us+10%,-5%8（+1,-2.5）us20（+8,-4）us+10%12±3ohmsMin 6kV, 10kA1.2±0.36us50±10us+10%,-5%8（+1,-2.5）us20（+8,-4）us+10%Min 0.55 ohms4.3氧化锌压敏电阻器不同标准检测测试方法介绍：4.3.1氧化锌压敏电阻器在UL 1449标准中属于type 5类SPD防雷器，在申请UL 1449标准检测时，需要经受标准规定的标称放电电流试验，试验具体方法以下：4.3.1.1 首先需要先测量信号干扰电流: 用一根尽量短的6AWG的线接在浪涌发生器的两端短接，然后根据需要进行测试的样品的In值来调节示波器上的电流探头比例，记录此时示波器上的干扰波大小，以及此时电流探头的比例，每个型号记录5个干扰波，并算出其平均值。

a. 以上测试之后，相同样品测试b. 测试方式：15 surges， 8/20 us电流波进行测试 c. 标称放电电流值由客户根据自己产品宣告：0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.25, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 5, 10 or 20 kAd. 测试前要进行8/20 us电流校验波测量:预期波形需要通过示波器测量验证波形的上升时间是否满足标准要求：Front time (上升时间) = 1.25(t90 – t10) t90和t10就是此 3kA电流波形之90%和10%电流所对应的时间5.5 µs£上升时间 £ 9 µs (8 +1, -2.5 µs)预期波形需要通过示波器测量验证波形的下降时间是否满足标准要求：下降沿时间：Duration=20.05usDuration (持续时间): 从零点电流到剩下50%电流所须要的时间16 µs £持续时间 £ 28 µs (20 +8, -4 µs)4.3.1.2测试流程:1.未通电下，在制造商宣告的In 等级(见前页) 以 8/20 us 电流波测试一次, 并纪录MLV值（样品连接到浪涌发生器上，底部支撑面铺一层薄纸，样品用一层纱布覆盖）2. 在 1 秒内于样品上加上 MCOV 电压 60 秒 (+/- 5秒)3. 上述步骤 1 和 2 重复 5 次 4. 步骤 1~3 结束后，样品休息 30 分钟 (+/- 5分钟) 5. 上述步骤 1~4 重复 3 次 (一个样品总共测 15 次) 6. 15 次 In 测试结束后，再加上 MCOV 于样品上 15 分钟 标称放电电流测试流程：4.3.2氧化锌压敏电阻器在申请GB/T 10193, GB/T 10194的检测，或者申请 IEC 61051-1, IEC 61051-2, IEC 61051-2-2标准进行检测时，需要经受标准规定的脉冲电流试验或增加组合波形试验。

试验具体方法如下：以普通的方法将压敏电阻器固定在无锈蚀的夹具上，采用符合标准的第一种类型脉冲的两种标准脉冲电流：一种是视在前沿时间8us、视在半峰值时间20us，表示成8/20us脉冲；另一种是视在前沿时间10us、视在半峰值时间1000us，表示成10/1000us脉冲4.3.2.1. 标准规定需要8颗产品经受8/20us波形在一个方向冲击10。