壓敏電阻工作原理

 

一、壓敏電阻工作原理

壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。
     壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級(jí)范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。
     壓敏電阻的壓敏電壓（min(U1mA)）、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) ≥(1.8～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí)，有適當(dāng)?shù)陌踩６取Ｔ谛盘?hào)回路中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號(hào)回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計(jì)的通流容量。
壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)線路、帶饋電的天饋線路。
壓敏電阻的失效模式主要是短路，當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成閥片被炸裂而開(kāi)路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會(huì)下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題。
     在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，為了追求較小的安裝面積，壓敏電阻做成疊層型，稱為Multi-layer Varistor(MLV),其結(jié)構(gòu)與疊層型的瓷片電容（MLCC）完全相同，只是叉指電極間的材料不是普通的陶瓷電介質(zhì)，而是ZnO壓敏材料。也因?yàn)槿绱?，MLV都是具有一定的電容特性的，甚至可以根據(jù)需要定制具有某種容量的MLV，這對(duì)于防護(hù)設(shè)計(jì)中兼顧EMI設(shè)計(jì)是非常有利的。
     由于做成疊層結(jié)構(gòu)后，MLV的電極寄生電感非常小，因此其反應(yīng)速度與TVS不相伯仲，甚至比某些采用Bonding結(jié)構(gòu)的TVS的速度還要快。
     在電流容量上，得益于疊層結(jié)構(gòu)，MLV的通流能力也要比相同體積的TVS大得多。
     MLV的鉗位特性曲線不如TVS陡峭，不能實(shí)現(xiàn)精確的鉗位；MLV在多次大電流沖擊后，性能會(huì)出現(xiàn)一定程度的退化，主要表現(xiàn)是漏電流增大，鉗位電壓有所變化。不過(guò)，如果MLV僅用于ESD防護(hù)，上述兩個(gè)缺點(diǎn)對(duì)防護(hù)效果的影響是很小的。這也是為什么MLV能在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等領(lǐng)域大行。  
     氧化鋅壓敏電阻與被保護(hù)的電器設(shè)備或者元器件并聯(lián)使用。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過(guò)電壓或瞬態(tài)操作電壓VS時(shí)，壓敏電阻器和被保護(hù)的設(shè)備及元器件同時(shí)承受VS，由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快，它以納秒級(jí)時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線形導(dǎo)電特性，此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VS，這樣被保護(hù)的設(shè)備及元器件上實(shí)際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過(guò)電壓VS，從而使設(shè)備及元器件免遭過(guò)電壓的沖擊.

二、壓敏電阻常見(jiàn)問(wèn)題

1、壓敏電阻的安全性問(wèn)題： 

　　在以往的應(yīng)用中，跨接在電源線上的壓敏電阻器出現(xiàn)過(guò)起火燃燒，危機(jī)臨近其它元器件的事故。對(duì)此，制造者和使用者共同進(jìn)行了大量研究和分析工作，采取了相應(yīng)的對(duì)策，極大地降低了這類事故的概率，但尚未杜絕，因此，壓敏電阻的使用安全性仍是個(gè)值得重視、需要繼續(xù)研究解決的課題。 
　　壓敏電阻起火燃燒的表觀現(xiàn)象，大體上可分為老化失效和暫態(tài)過(guò)電壓破壞兩種類型。 
　?、倮匣В@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(diǎn)，薄弱點(diǎn)材料融化，形成1kΩ左右的短路孔后，電源繼續(xù)推動(dòng)一個(gè)較大的電流灌入短路點(diǎn)，形成高熱而起火。這種事故通?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)與壓敏電阻串聯(lián)的熱熔接點(diǎn)來(lái)避免。熱熔接點(diǎn)應(yīng)與電阻體有良好的熱耦合，當(dāng)最大沖擊電流流過(guò)時(shí)不會(huì)斷開(kāi)，但當(dāng)溫度超過(guò)電阻體上限工作溫度時(shí)即斷開(kāi)。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(qiáng)度不大的電沖擊的多次作用，也會(huì)加速老化過(guò)程，使老化失效提早出現(xiàn)。 
　?、跁簯B(tài)過(guò)電壓破壞，這是指較強(qiáng)的暫態(tài)過(guò)電壓使電阻體穿孔，導(dǎo)致更大的電流而高熱起火。整個(gè)過(guò)程在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，以至電阻體上設(shè)置的熱熔接點(diǎn)來(lái)不及熔斷。在三相電源保護(hù)中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火的事故概率較高，多數(shù)是屬于這一種情況。相應(yīng)的對(duì)策集中在壓敏電阻損壞后不起火。一些壓敏電阻的應(yīng)用技術(shù)資料中，推薦與壓敏電阻串聯(lián)電流熔絲（保險(xiǎn)絲）進(jìn)行保護(hù)。

2、壓敏電阻的連接線問(wèn)題 

　　將壓敏電阻接入電路的連接線要足夠粗，推薦的連接線的尺寸注：接地線為5.5 mm2以上連接線要盡可能短，且走直線，因?yàn)闆_擊電流會(huì)在連接線電感上產(chǎn)生附加電壓，使被保護(hù)設(shè)備兩端的限制電壓升高。 
壓敏電阻通流量 ≤600A   (600～2500)A ( 2500～4000)A (4000～20K)A 
導(dǎo)線截面積     ≥ 0.3 mm2 ≥ 0.5 mm2     ≥ 0.8 mm2     ≥ 2 mm2 
　　例如：若壓敏電阻MY兩端各有3 cm長(zhǎng)的接線，它的電感量L大體為18 nH，若有10 KA的8/20沖擊電流流入壓敏電阻，把電流的升速看作10KA / 8Μs，則引線電感上的附加電壓UL1、UL2大體為 
UL1= UL2=L(di/dt)=18×10-9( 10×103 / 8×10-6 )=22.5 V 
這就使限制電壓增高了45V。 

3、壓敏電阻的串聯(lián)和配對(duì) 

　　壓敏電阻可以很簡(jiǎn)單地串聯(lián)使用。將兩只電阻體直徑相同（通流量相同）的壓敏電阻串聯(lián)后，漆壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和限制電壓相加，而通流量指標(biāo)不變。例如在高壓電力避雷器中，要求持續(xù)工作電壓高達(dá)數(shù)千伏，數(shù)萬(wàn)伏，就是將多個(gè)ZnO壓敏電阻閥片迭和起來(lái)（串聯(lián)）而得到的。 
　　壓敏電阻可以并聯(lián)，目的是獲得更大的通流量，或者在沖擊電流峰值一定的條件下減小電阻體中的電流密度，以降低限制電壓。 
　　當(dāng)要求獲得極大的通流量［ 例如8/20，（50～200）KA ］，且壓敏電壓又比較低（例如低于200V）時(shí)，電阻體的直徑 / 厚度比太大，在制造技術(shù)上有困難，且隨著電阻體直徑的加大，電阻體的微觀均勻性變差，因此通流量不可能隨電阻體面積成比例地增大。這是用較小直徑的電阻片并聯(lián)可能是個(gè)更合理的方法。 
由于高非線性，壓敏電阻片的并聯(lián)需要特別小心謹(jǐn)慎，只有經(jīng)過(guò)仔細(xì)配對(duì)，參數(shù)相同的電阻片相并聯(lián)，才能保證電流在各電阻片之間均勻分配。針對(duì)這種需求，本公司專門(mén)為用戶提供配對(duì)的電阻片。 
此外，縱向連結(jié)的幾個(gè)壓敏電阻器，使用經(jīng)過(guò)配對(duì)的參數(shù)一致的壓敏電阻器后，當(dāng)沖擊侵入時(shí)，出現(xiàn)在橫向的電壓差可以很小。在這種情況下，配對(duì)也是有意義的。 

4、壓敏電阻與氣體放電器件的串聯(lián)和并聯(lián) 

　　壓敏電阻可以與氣體放電管、空氣隙、微放電間隙等氣體放電器件相串聯(lián)（圖10.5a），這個(gè)串聯(lián)組合的正常工作要滿足兩個(gè)基本條件：①、系統(tǒng)電壓上限值應(yīng)低于氣體放電器件G的直流擊穿電壓；②、G點(diǎn)火后在系統(tǒng)電壓上限值下，壓敏電阻MY中的電流應(yīng)小于G的電弧維持電流，以保證G的熄弧。 
這種串聯(lián)組合具有電容量小，工作頻率高；漏電流極小安全性好；以及不存在壓敏電阻MY在系統(tǒng)電壓下老化的問(wèn)題，因而可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有氣體放電器件相應(yīng)慢所引起的"讓通電壓"問(wèn)題。 
壓敏電阻也可與氣體放電管并聯(lián)，以降低氣體放電管的沖擊點(diǎn)火電壓。

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