壓敏電阻應(yīng)用

1、1 .引言火災(zāi)事故的發(fā)生又多與壓敏電阻失效后未能及時脫離電路，造成系統(tǒng)電源不同程度的短路有關(guān)，本文主要淺述單獨采用過電流保護方式應(yīng)對壓敏電阻失效的弊端，并提出了壓敏電阻失效的最佳保護方式為過溫保護。2 .壓敏電阻的工作原理及失效機理氧化鋅壓敏電阻器MOV 是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物，典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件。MOV 具有獨特的晶界結(jié)構(gòu)，在一定電場下，晶界導(dǎo)電由熱電子發(fā)射傳導(dǎo)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮铀淼纻鲗?dǎo)，其電阻值隨著電壓的增大而急劇減小，具有優(yōu)異的非線性伏安特性，那么，當家用電器所接的電源中存在過電壓時，MOV 晶界電子隧道效應(yīng)抑制過電壓峰值增長，吸收部分過電壓能量，從

2、而起到防護作用，MOV 具有高通流容量，低殘壓，無續(xù)流且成本較低等優(yōu)點，已被首選使用在家用電器的電源入口作為過電壓保護元件。MOV 具有很高的瞬時(納秒級或微妙級過電壓抑制能力，但在暫時(毫秒級或秒級過電壓、過電流或頻繁的浪涌電流沖擊下，MOV 較容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象。MOV 的失效主要有兩種模式，一種為開路模式，該模式主要發(fā)生在MOV 流過遠遠超出自身能夠承受的浪涌電流時，表征為MOV 本體炸裂，但這種模式不會引起燃燒現(xiàn)象，且出現(xiàn)在家用電器中概率是很低的;另一種為短路模式，大體上可分為老化失效和暫態(tài)過電壓破壞兩種類型：a、老化失效，這是指電阻體的低阻線性化逐步加劇，漏電流惡性增加且集中流入薄弱點

3、，薄弱點材料融化，形成1k 左右的短路孔后，電源繼續(xù)推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。研究結(jié)果表明， 若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發(fā)生早期失效， 強度不大的電沖擊的多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現(xiàn);b、暫態(tài)過電壓破壞，這是指較強的暫態(tài)過電壓使電阻體穿孔，導(dǎo)致更大的電流而高熱起火，整個過程在較短時間內(nèi)發(fā)生。短路失效是引起壓敏電阻起火燃燒的主要原因，從而導(dǎo)致家用電器發(fā)生火災(zāi)事故，以下是MOV在不同過電流試驗后失效圖片(參照UL1449 3rd 39.4 條款測試： 圖1:MOV14D471 在600V*320mA 電流試驗后圖 圖2:MOV14D471

4、 在600V*500mA 電流試驗后圖 圖3:MOV14D471 在600V*1A 電流試驗后圖片 圖4:MOV14D471 在600V*2A 電流試驗后圖片 圖5:MOV14D471 在600V*5A 電流試驗后圖片 圖6:MOV14D471 在600V*10A 電流試驗后圖片 圖7:MOV14D471 在600V*15A 電流試驗后圖片 圖8:MOV14D471 在600V*20A 電流試驗后圖片說明：圖4、圖6 為人為切斷電路后的照片;圖13、圖5、圖78 為未人為切斷電路前的照片。3 單獨采用過流保護方式應(yīng)對壓敏電阻失效的現(xiàn)狀

5、分析 3.1 壓敏電阻MOV 與電流保險絲FUSE 的浪涌電流承受能力對比，見表1表1 3.2 家用電器電路設(shè)計現(xiàn)狀及矛盾 圖9:空氣調(diào)節(jié)器典型電路設(shè)計(截圖之一 圖10:空氣調(diào)節(jié)器典型電路設(shè)計(截圖之二從圖9、圖10 反映了目前家用電器電路設(shè)計的習慣思路，在MOV 前端置放了電流保險絲fuse,浪涌電流從電源端輸入后先經(jīng)過FUSE,再由流經(jīng)MOV.如此有兩個矛盾存在：a、MOV 與FUSE 的最大浪涌承受能力的矛盾，如表1 中所示;電路設(shè)計時，如果為了滿足MOV 的浪涌電流承受能力時，就必須提高FUSE 的額定電流值，這樣過大的電流額定值將嚴重降低對后置電路的過

6、流保護效果，火災(zāi)隱患倍增;反之，為了保證FUSE 對后置電路的過流保護效果，就得按需要選擇較小的額定電流值，同時也大幅減低了整個電路的浪涌承受能力，在客戶使用過程中將出現(xiàn)FUSE 很容易斷開。b、引起MOV 燃燒的擊穿電流與FUSE 的斷開電流的矛盾。如圖1圖8 所示， 不管MOV 的浪涌承受能力的大小，MOV 在不同的過電流下就會引起高溫、冒煙甚至燃燒;FUSE 只在MOV 因暫時過電壓作用下、擊穿電流快速增大到2 倍的FUSE額定電流時才能迅速斷開電流;如果是MOV 老化引起的壓敏電壓逐漸下降，MOV 的漏電流緩慢增加而引發(fā)的MOV 燃燒，此時的FUSE 將無法斷開電路。4 推薦應(yīng)對壓敏電

7、阻失效的合適方案4.1 壓敏電阻失效表征特點為本體溫度快速上升，采用溫度管理是最有效方式壓敏電阻實際上是一種具有非線性伏安特性的敏感元件，在正常電壓條件下，這相當于一只小電容器，而當電路出現(xiàn)過電壓時，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流增加幾個數(shù)量級，從而有效地保護了電路中的其它元器件不致過壓而損壞，它的伏安特性是對稱的，如圖(11a 所示。這種元件是利用陶瓷工藝制成的，它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)如圖(11b 所示。微觀結(jié)構(gòu)中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍的晶界層。其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈N 型半導(dǎo)體，晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài)，這樣每一微觀單元是一個背靠背肖特基勢壘，整個陶瓷就是

8、由許多背靠背肖特基墊壘串并聯(lián)的組合體。 圖(11a 伏安特性曲線 圖(11b 內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖12 是壓敏電阻器的等效電路。 氧化鋅晶粒的電阻率很低，而晶界層的電阻率卻很高，相接觸的兩個晶粒之間形成了一個相當于齊納二極管的勢壘，這就是一壓敏電阻單元，每個單元擊穿電壓大約為33.5V,如果將許多的這種單元加以串聯(lián)和并聯(lián)就構(gòu)成了壓敏電阻的基體。串聯(lián)的單元越多，其擊穿電壓就超高，基片的橫截面積越大，其通流容量也越大。壓敏電阻在工作時，每個壓敏電阻單元都在承受浪涌電能量。 圖12 壓敏電阻等效電路壓敏電阻的缺點是易老化，大多數(shù)情況下P-N結(jié)過載時會造成短路且不可回轉(zhuǎn)至正常狀

9、態(tài)，在電沖擊的反復(fù)多次作用下壓敏電阻內(nèi)的二極管元件被擊穿，電阻體的低阻線性化逐步加劇，壓敏電壓越來越低，漏電流越來越大，隨著MOV 本體溫度的升高，漏電流更大，形成惡性循環(huán)，以至MOV 的溫度升高達到外包封材料的燃點，這種情況稱之為高阻抗短路(1k 左右，焦耳熱使得MOV 發(fā)熱增加且集中流入薄弱點，薄弱點材料融化，形成1k 左右的短路孔后，電源繼續(xù)推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。研究結(jié)果表明， 若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發(fā)生早期失效， 強度不大的電沖擊的反復(fù)多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現(xiàn)。這是通過試驗?zāi)軌蜃C明的。因此可見，壓敏電阻的失效前兆是其溫度的快速提升，溫

10、度的提升速度快于漏電流的提升速度，故采用溫度管理方式來及時判斷壓敏電阻的性能是最為合適了。采用溫度管理保護壓敏電阻的方式有機械脫扣方式、溫度保險絲切斷電路方式等，其保護效果的關(guān)鍵在于熱的采集、傳遞速度，最佳的熱保護方式能夠讓因失效而處于過度發(fā)熱的壓敏電阻及時地脫離電路，從而避免連環(huán)式火災(zāi)的產(chǎn)生。4.2 熱保護型壓敏電阻的優(yōu)點 具有合金型溫度保險絲(thermal cutoff的壓敏電阻器(MOV，稱之為熱保護型壓敏電阻器(thermally protected metal oxide varistor 以下簡稱為TMOV，是將合金型溫度保險絲與壓敏電阻以最近距離的串聯(lián)方式集合成一體，能夠確保溫

11、度保險絲即時吸取壓敏電阻所發(fā)的熱量，以在壓敏電阻著火前快速切斷電路。此時流經(jīng)壓敏電阻的漏電流還不夠大，不足以切斷電流保險絲。與壓敏電阻相串聯(lián)的合金型溫度保險絲，具有與壓敏電阻的最大浪涌承受能力Imax 相當?shù)耐髁?。以下是TMOV 在不同過電流試驗后失效圖片(參照UL1449 3rd 39.4 條款測試： 圖13:TMOV10S471 在600V*0.5A 電流試驗后圖片 圖14:TMOV10S471 在600V*2.5A 電流試驗后圖片 圖15:TMOV10S471 在600V*5A 電流試驗后圖片 圖16:TMOV10S471 在600V*10A 電

12、流試驗后圖片說明：圖1316 為TMOV 中TCO 斷開后的照片，斷開時間曲線請見圖17: 圖17:TMOV 受限電流測試曲線4.3 全模保護的必要性家用電器都是以單相供電的，現(xiàn)狀中大都只在相線與中性線之間接一只壓敏電阻器作為過電壓保護元件，這種保護模式稱之為橫向保護、也稱為差模保護模式。僅有差模保護是不夠的。電源浪涌并不僅源于雷擊，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障、投切大負荷時都會產(chǎn)生電源浪涌，電網(wǎng)綿延千里，不論是雷擊還是線路浪涌發(fā)生的幾率都很高。當遠方發(fā)生了雷擊時，雷擊浪涌通過電網(wǎng)光速傳輸，經(jīng)過變電站等衰減，到各家庭時可能仍然有上千伏以上的高壓，雖然時間很短，也足以損壞家用電器以及IT 電

13、源等設(shè)備中的半導(dǎo)體器件。這種通過相線、中線傳輸而來的電壓對地線形成了縱向過電壓，必須把這個縱向過電壓抑制下去，以防止電子電路的絕緣受到破壞，這種保護稱為縱向保護、也稱為共模保護。雷擊主要引起縱向過電壓，當在下列情況時雷擊可引起橫向過電壓：a、各線對地的阻抗不一致，通常情況下中性線與地線為低阻抗(這與低壓配電系統(tǒng)的接地制式有關(guān)，因此，相線與中性線之間可能有較高的橫向過電壓;b、當縱向過電壓保護器的動作不一致時，各線間會引起較高的橫向過電壓。電網(wǎng)本身因素主要是操作過電壓，即電源開關(guān)(特別是較大感性負載的電源開關(guān)動作時引起的橫向過電壓。此電壓的高低主要由開關(guān)后的負載大小來決定。空調(diào)等都可引起較高的、

14、對設(shè)備有害的過電壓。因此，我們認為，對于家用電器而言，最好的模式是采用全模保護，即共模保護加差模保護。不過應(yīng)當指出，在建筑物的內(nèi)部一定要有地線。值得慶幸的是，現(xiàn)在的新的建筑物內(nèi)都設(shè)計有地線了。4.4 推薦采用熱保護型壓敏電阻的兩種典型電路 圖18 采用TMOV 的全模保護電路 圖19說明：a、 TMOV13 中溫度保險絲TCO 能承受的最大放電電流與相串聯(lián)的壓敏電阻MOV 的最大放電電流相當;b、如果僅需采用橫向保護(差模保護的話，圖中的TMOV1、TMOV2 可去除;c、不用考慮圖中后置的電流保險絲fuse 的浪涌通流量，其電流額定值的選定僅需考慮后續(xù)電路中的過流保護。5

15、 結(jié)束語本文分析證明了單獨采用過流保護應(yīng)對壓敏電阻失效是片面的，不能有效避免火險隱患的產(chǎn)生，應(yīng)該采用熱保護模式才能將失效了的壓敏電阻從電路中及時有效脫離開，且讓電流保險絲的作用專注于電路中精準的過流保護，以確保用戶的安全。壓敏電阻原理及應(yīng)用ZnO壓敏電阻實際上是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，在正常電壓條件下，這相當于一只小電容器，而當電路出現(xiàn)過電壓時，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流增加幾個數(shù)量級，從而有效地保護了電路中的其它元器件不致過壓而損壞，它的伏安特性是對稱的，如圖(1a 所示。這種元件是利用陶瓷工藝制成的，它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)如圖(1b 所示。微觀結(jié)構(gòu)中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍

16、的晶界層。氧化鋅晶粒的電阻率很低，而晶界層的電阻率卻很高，相接觸的兩個晶粒之間形成了一個相當于齊納二極管的勢壘，這就是一壓敏電阻單元，每個單元擊穿電壓大約為3.5V，如果將許多的這種單元加以串聯(lián)和并聯(lián)就構(gòu)成了壓敏電阻的基體。串聯(lián)的單元越多，其擊穿電壓就超高，基片的橫截面積越大，其通流容量也越大。壓敏電阻在工作時，每個壓敏電阻單元都在承受浪涌電能量，而不象齊納二極管那樣只是結(jié)區(qū)承受電功率，這就是壓敏電阻為什么比齊納二極管能承受大得多的電能量的原因。壓敏電阻在電路中通常并接在被保護電器的輸入端，如圖(2所示。壓敏電阻的Zv與電路總阻抗（包括浪涌源阻抗Zs）構(gòu)成分壓器，因此壓敏電阻的限制電壓為V=V

17、sZv/(Zs+Zv。Zv的阻值可以從正常時的兆歐級降到幾歐，甚至小于1。由此可見Zv在瞬間流過很大的電流，過電壓大部分降落在Zs上，而用電器的輸入電壓比較穩(wěn)定，因而能起到的保護作用。圖(3所示特性曲線可以說明其保護原理。直線段是總阻抗Zs，曲線是壓敏電阻的特性曲線，兩者相交于點Q，即保護工作點，對應(yīng)的限制電壓為V，它是使用了壓敏電阻后加在用電器上的工作電壓。Vs為浪涌電壓，它已超過了用電器的耐壓值VL，加上壓敏電阻后，用電器的工作電壓V小于耐壓值VL，從而有效地保護了用電器。不同的線路阻抗具有不同的保護特性，從保護效果來看，Zs越大，其保護效果就越好，若Zs=0，即電路阻抗為零，壓敏電阻就不起保護作用