電涌保護(hù)器應(yīng)用中的幾個問題
電涌保護(hù)器應(yīng)用中的幾個問題的探討
摘要：探討了電涌保護(hù)器（SPD）應(yīng)用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應(yīng)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(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和家庭生活的各個領(lǐng)域，SPD的使用范圍日益擴(kuò)大，市場需求量日益增長。
總的來說，電子信息技術(shù)產(chǎn)品的過電壓保護(hù)還是一個新的技術(shù)領(lǐng)域，兩相關(guān)于SPD的國際標(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(yīng)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(guān)系。最后對SPD應(yīng)用中各個電壓之間的相互關(guān)系作了說明。
二、SPD的響應(yīng)時間
不少人錯誤地認(rèn)為，響應(yīng)時間是衡量SPD保護(hù)性能的一個重要指標(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)行過測量。一個流行的觀點是，在響應(yīng)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(shè)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(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，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應(yīng)本質(zhì)上是很快的。圖1位美國GE公司用不帶引線的壓敏電阻進(jìn)行抑制沖擊電壓的實驗所得到的示波圖[1>。圖中的曲線1是不加壓敏電阻時的沖擊電壓，曲線2是被壓敏電阻抑制后的波形。由圖可以清楚地看出，氧化鋅壓敏電阻抑制沖擊電壓作用的延時小于1ns。
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(yīng)時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點，下面將IEEEC62.33-1982第6.3條款引述如下（見圖2）。
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(jié)果表明，它大于以8/20標(biāo)準(zhǔn)波時的限制電壓（圖2的Uc）。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(yīng)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(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量限制電壓時，必須認(rèn)識到電壓過沖對于引線長度和環(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)表的國際電工委員會關(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、測量、計算或其他認(rèn)證。這是因為：
（1）對于沖擊保護(hù)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(yīng)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(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)，連接線的長短和接線方式也有重要影響。
筆者認(rèn)為，對于電源保護(hù)用SPD，以下三項技術(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SPD的動作順序
當(dāng)單級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，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
圖3是個兩級保護(hù)SPD的例子。圖中非線性元件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(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，總是第一級RV1先導(dǎo)銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導(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，多數(shù)情況是第二級先導(dǎo)通。第二級導(dǎo)通后，當(dāng)沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級才導(dǎo)通。第一級導(dǎo)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(dǎo)通后的殘壓通常低于第二級的導(dǎo)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(dāng)快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級先導(dǎo)通。若第一級導(dǎo)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(dāng)條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導(dǎo)通。第二級導(dǎo)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(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(guān)系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點關(guān)系，顯然是不切合實際的。還有人主張按能量相等的原則進(jìn)行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個電流波形，還要知道當(dāng)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(yīng)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(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)和電流值很大時的電動力效應(yīng)。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，如圖4所示[4>。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(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（見圖5），當(dāng)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(dāng)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(dǎo)，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(yīng)力而使電阻體開裂。當(dāng)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。
圖5的實驗曲線表明，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(guān)系，在雙對數(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(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）的沖擊電流對所選定的壓敏電阻進(jìn)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(jìn)行計算。試驗式不一定進(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。
摘要：探討了電涌保護(hù)器（SPD）應(yīng)用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應(yīng)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(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和家庭生活的各個領(lǐng)域，SPD的使用范圍日益擴(kuò)大，市場需求量日益增長。
總的來說，電子信息技術(shù)產(chǎn)品的過電壓保護(hù)還是一個新的技術(shù)領(lǐng)域，兩相關(guān)于SPD的國際標(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(yīng)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(guān)系。最后對SPD應(yīng)用中各個電壓之間的相互關(guān)系作了說明。
二、SPD的響應(yīng)時間
不少人錯誤地認(rèn)為，響應(yīng)時間是衡量SPD保護(hù)性能的一個重要指標(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)行過測量。一個流行的觀點是，在響應(yīng)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(shè)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(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，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應(yīng)本質(zhì)上是很快的。圖1位美國GE公司用不帶引線的壓敏電阻進(jìn)行抑制沖擊電壓的實驗所得到的示波圖[1>。圖中的曲線1是不加壓敏電阻時的沖擊電壓，曲線2是被壓敏電阻抑制后的波形。由圖可以清楚地看出，氧化鋅壓敏電阻抑制沖擊電壓作用的延時小于1ns。
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(yīng)時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點，下面將IEEEC62.33-1982第6.3條款引述如下（見圖2）。
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(jié)果表明，它大于以8/20標(biāo)準(zhǔn)波時的限制電壓（圖2的Uc）。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(yīng)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(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量限制電壓時，必須認(rèn)識到電壓過沖對于引線長度和環(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)表的國際電工委員會關(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、測量、計算或其他認(rèn)證。這是因為：
（1）對于沖擊保護(hù)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(yīng)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(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)，連接線的長短和接線方式也有重要影響。
筆者認(rèn)為，對于電源保護(hù)用SPD，以下三項技術(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SPD的動作順序
當(dāng)單級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，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
圖3是個兩級保護(hù)SPD的例子。圖中非線性元件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(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，總是第一級RV1先導(dǎo)銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導(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，多數(shù)情況是第二級先導(dǎo)通。第二級導(dǎo)通后，當(dāng)沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級才導(dǎo)通。第一級導(dǎo)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(dǎo)通后的殘壓通常低于第二級的導(dǎo)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(dāng)快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級先導(dǎo)通。若第一級導(dǎo)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(dāng)條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導(dǎo)通。第二級導(dǎo)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(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(guān)系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點關(guān)系，顯然是不切合實際的。還有人主張按能量相等的原則進(jìn)行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個電流波形，還要知道當(dāng)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(yīng)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(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)和電流值很大時的電動力效應(yīng)。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，如圖4所示[4>。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(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（見圖5），當(dāng)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(dāng)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(dǎo)，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(yīng)力而使電阻體開裂。當(dāng)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。
圖5的實驗曲線表明，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(guān)系，在雙對數(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(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）的沖擊電流對所選定的壓敏電阻進(jìn)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(jìn)行計算。試驗式不一定進(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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