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限压型SPD中MOV阀片小电流参数挑选时应注意的几个问题

更新时间:2010-1-11 16:39:43
作者-费自豪 王志宏   来源-贵州飞舸电子有限公司


1. 导言

  随着电涌保护器(SPD)越来越普及应用,各地 生产SPD的厂家如雨后春笋般破土而出。限压型SPD基本上都要使用ZnO压敏电阻瓷片(MOV),而且使用的MOV阀片通常 几何尺寸大、8/20μS通流要求高,例如符合IEC标准:标称通流20kA、最大40kA 、34×34mm的阀片最为常用。与普 通Φ20以下的通用型压敏电阻相较,由于其几何尺寸大,在小电流参数测选时有其特殊性,笔者在工作中经常遇到不 少SPD厂家由于对此认识不足,简单沿用Φ20以下通用型压敏电阻的三参数测量方法来对阀片进行筛选,对MOV性能提 出的要求不尽合理,妨碍了MOV阀片的正确选用,深感有必要将笔者对此问题的一些认识,结合实际工作情况,在此 作一些介绍。

2. 压敏电压U1mA、泄漏电流IL、非线性系数α

  典型的ZnO压敏电阻的电压电流特性曲线如图1所示。在此要强调的是对Φ20以下的通 用型压敏电阻而言,压敏电压U1mA可以近似为非线性拐点电压U1mA/cm2,也称崩溃电压或击穿电压,即当作用在阀片 上的电压低于拐点电压时,电压与电流接近线性关系,此时的非线性系数α较低;而一旦作用在阀片上的电压超过拐 点电压,电压的微小增加将导致电流急剧增大,电压与电流表现出强的非线性关系,有较高的非线性系数α;当电流 增大至超过一定程度,进入高电场区,非线性将逐渐减小至消失,进入低阻状态,此时ZnO晶粒的体电阻起主导作用 。故典型的非线性系数α与电流密度关系曲线如图2所示,在拐点电压以下,非线性系数α比较低。对34×34mm的防 雷阀片而言,由于沿用了Φ20以下的通用型压敏电阻的三参数测量方法,与所测得的U1mA电压对应的电流密度约为 1mA/3.4×3.4cm2,基本与Φ20以下通用型压敏电阻的U0.1mA相当,与非线性拐点电压U1mA/cm2相差较大,仍属低电 场区,由前述可见,由此U1mA、U0.1mA计算得出的非线性系数α不会高,也不能作为判定阀片非线性优劣的判据。我 们认为,对34×34mm的防雷阀片来说,通过测量U10mA/U1mA压比来计算得出的非线性系数α更能表征阀片非线性的优 劣。表1.列出了贵州飞舸公司生产的34×34mm防雷阀片的U10mA/U1mA和U1mA/U0.1mA对照。

  表1. 34×34mm防雷阀片的U1mA/U0.1mA与U10mA/U1mA对照


   由上表可见,34×34mm防雷阀片用U10mA/U1mA计算得出的α2明显高于用U1mA/U0.1mA计算的α1,与理论分析是相符 的。这证实对34×34mm的防雷阀片用U10mA/U1mA压比得出的非线性系数α2来表征阀片的非线性更为适当。

  泄漏电流IL通常定义为75%U1mA下的导通电流,它表征了低电场区阀片的导电性能,反映的是晶界载流子激活能 垒的高低。其值越小,则表示需要较大的能量来激活晶界载流子使之导通。如果IL值过小,需要的激活能量太大,至 少对中电场区的通流能力不利。对于该指标,我们推荐按照在75%U1mA下0.4~1.3μA/cm2左右进行控制,既能满足国 内一般的标准要求,又能保证阀片有较好的综合性能

  在实践中发现,对同配方、同烧结工艺的阀片,可 以通过调整热处理制度来改变其压敏电压U1mA、泄漏电流IL和非线性系数α。通常其U1mA/U0.1mA的α越高,IL就越 小。只有采用快速升降温(2h内完成从室温至550~650℃的升、降温烧银过程)才可以获得小的IL和高的非线性系数 α,但是快速升降温将在阀片内部产生较大的内应力,会降低8/20μS通流能力并且有明显的性能陡变(与内应力释 放有一定关系),做极限通流能力或2mS方波能量测试时也较容易发生炸裂(电涌能量与内应力一起对陶瓷结构产生 破坏)。

  阀片内部过大的内应力将抑制载流子运动,提高晶粒、晶界的电阻,外在表现为U1mA值升高( 可达5~10%),泄漏电流IL减小,α系数增大,似乎小电流性能得到了改善。但这只是一种非稳态的改善,伴随内应 力的释放,性能会较快劣化,并且由于内阻的升高,将降低阀片大电流通流能力。若在内应力释放过程中伴有外加电 场的作用,其影响机理更为复杂,但结果是阀片性能加速劣化。故在实际生产中切不可简单将仅适用于小圆形压敏电 阻片的快速升、降温烧银工艺照搬到大方形压敏电阻片的生产上。表2.列出了经过两种不同热处理制度处理的同配方 、同时烧结的34×34mm阀片8/20μS雷电流冲击结果。冲击方式参考了IEC61643标准的规定,无负载20kA连续冲击6次 为一组,每次冲击间隔时间≤45秒,冲击完一组冷却后测量,然后进行第二组冲击。

  表2. 不同处理制 度下34×34mm防雷阀片的8/20μS冲击结果对照


● 测试设备为西安交大电力电子所制造的ICG-Ⅱ冲击电流发生器。

  由表2可见,用第二种工艺 (快的降温速度)处理的阀片泄漏电流小、U1mA/U0.1mA的α系数高,但耐冲击能力远不如第一种工艺。其根源当然 在于内部结构的不同,但可形象理解为快速降温使图1中的非线性曲线往左发生了漂移,因而阀片通流能力随之下降 。故在阀片测选时,不可追求高的α系数和过小的泄漏电流。

3. 结论

  3.1. 对几何尺寸大的防雷阀片,用测量U10mA、U1mA压比来计算得出的非线性系数α更能表征阀片非线性的优劣。沿用 Φ20以下的通用型压敏电阻测量方法所测得的三参数只能作为参考,不能作为判定阀片非线性优劣的判据。

  3.2. 为使用方便,我们根据经验推荐测量34×34mm防雷阀片U1mA/U0.1mA的α系数时,其值应在20~35之间,若 超过40则阀片通流能力不好的可能性增大;要注意的是α在20~35并不一定通流能力就好;75%U1mA下的漏电流IL应 在4~12μA之间,过小不好。测选的阀片几何尺寸越大(多片并联),则U1mA/U0.1mA的α应当越低,IL可适当放大 ,但不与面积成正比。

  3.3. 只有快速降温才可以获得小的IL和高的非线性系数α,但是快速降温将产 生较大的内应力影响其稳定性,对几何尺寸较大的方形阀片(热胀冷缩时各向不均)尤其如此,8/20μS通流能力会 降低并且随内应力的释放会出现明显的性能陡变,作极限通流能力测试时也较容易发生炸裂。故在阀片选用时,不可 追求高的α系数和过小的泄漏电流。

4. 其他

  贵州飞舸 电子有限公司由科研单位转制而来,专业从事SPD用高性能ZnO压敏阀片的生产研发,产品性能不断提高,得到了国家 科技型中小企业技术创新基金和贵州省高技术产业化专项基金的无偿资助。目前所生产的高性能ZnO阀片经多方检测 ,总体性能基本与国际大公司的同类产品大致相当,完全满足IEC61643标准要求。在8/20μS通流容量、雷电流冲击 后的漏电流变化率、漏电流对温度的稳定性、交流工频过电压耐受性等方面居国内领先水平。当前在使用的防雷阀片 主要生产设备有4条隧道窑;1台50kg/h蒸发量的喷雾造粒机;45吨浮动压机、50吨双向对压机、63吨浮动压机各一台 ;一条双向自动印银生产线;特殊设计的大阀片电极浸焊设备一套、自动环氧粉末包封机、检测设备若干等价值数百 万元的生产设备。我们长于生产研发,愿意为广大客户提供OEM服务;将竭力为中国防雷产品的普及、防雷技术的提 高做出应有的贡献。热诚欢迎来人来电联系或考察。

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