电涌保护器应用分析论文
电涌保护器应用分析论文 摘要：探讨了电涌保护器（SPD）应用中的4个颇有争议的问题，这就是 SPD的响应时间、多级SPD的动作顺序、不同波形冲击电流的等效变换以及SPD 的残压与冲击电流峰值的关系。最后说明了SPD应用中各电压之间的相互关系。关键词：电涌保护器响应时间冲击电流防雷保护 一、前言 电涌保护器(SPD)是抑制由雷电、电气系统操作或静电等所产生的冲击电 压，保护电子信息技术产品必不可少的器件。随着各种电子信息技术产品越来越 多地渗入到社会和家庭生活的各个领域，SPD的使用范围日益扩大，市场需求量 日益增长。
总的来说，电子信息技术产品的过电压保护还是一个新的技术领域，两相 关于SPD的国际标准IEC61643-1和IEC61643-21发表才几年，有关SPD应用中的许 多问题还存在着争议，本文就其中的4个问题提出笔者个人的看法，以期引起讨 论。它们是：SPD的响应时间，多级SPD的动作顺序，不同波形冲击电流的等效 变换以及SPD的残压与冲击电流峰值的关系。最后对SPD应用中各个电压之间的 相互关系作了说明。
二、SPD的响应时间 不少人错误地认为，响应时间是衡量SPD保护性能的一个重要指标，制造 厂也在其技术资料中列明了这一参数，但许多制造厂并不知道它的确切含义，也 未进行过测量。一个流行的观点是，在响应时间内，SPD对入侵的冲击无抑制作 用，冲击电压是"原样透过"SPD而作用在下级的设备上。这不符合SPD的是工作 情况，是错误的。
SPD中对冲击过电压起抑制作用的非线性元件，按其工作机理可区分为" 限压型"（如压敏电阻器、稳压二极管）和"开关型"（如气体放电管、可控硅）。
氧化锌压敏电阻器是一种化合物半导体器件，其中的电流对于加在它上面 的电压的响应本质上是很快的。
那么，以前的技术资料中所说的用压敏电阻构成的SPD响应时间r≤25ns是怎么回事呢？ 这是技术标准IEEEC62.33-1982[2]中定义的响应时间，它是一个用来表征" 过冲"特性的物理量，与通常意义上的响应时间是完全不同的另外一个概念。为 了说明这一点。
IEEEC62.3(6.3)电压过冲（UOS）。在冲击电流波前很陡、数值又很大时， 测量带引线压敏电阻的限制电压的结果表明，它大于以8/20标准波时的限制电压。
这种电压增量UOS称作"过冲"。尽管压敏电阻材料本身对陡冲击的响应时间有所 不同，但差别不大。造成过冲的主要原因是在器件的载流引线周围建立起了磁场， 该此磁场在器件引线和被保护线路之间的环路中，或者在引线与模拟被保护线路 的测量电路之间的环路感应出电压。
在典型的使用情况下，一定的引线长度是不可避免的，这种附加电压将加 在压敏电阻器后面的被保护线路上，所以在冲击波波前很陡而数值又很大的条件 下测量限制电压时，必须认识到电压过冲对于引线长度和环路耦合的依赖关系， 而不能把过冲作为器件内在的特性来看待。
近几年来发表的国际电工委员会关于SPD的技术标准IEC61643-1和 IEC6163-21都没有引入响应时间这一参数：IEEE技术标准C62.62-2000[]更明确指 出，波前响应的技术要求对SPD的典型应用而言是没有必要的，可能引起技术要 求上的误导，因此如无特别要求，不规定该技术要求，也不进行试验、测量、计 算或其他认证。这是因为：
（1）对于冲击保护这一目的而言，在规定条件下测得的限制电压，才是 十分重要的特性。
（2）SPD对波前的响应特性不仅与SPD的内部电抗以及对冲击电压起限 制作用的非线性元件的导电机理有关，还与侵入冲击波的上升速率和冲击源阻抗 有关，连接线的长短和接线方式也有重要影响。
笔者认为，对于电源保护用SPD，以下三项技术指标是重要的：①限制电 压（保护电平）；
②通流能力（冲击电流稳定性）；
③3连续工作电压寿命。
三、多级SPD的动作顺序 当单级SPD不能将入侵的冲击过电压抑制到规定保护电平以下时，就要采用含有二级、三级或更多级非线性抑制元件的SPD。
非线性元件Rv2和Rv2都是压敏电阻，实用中RV1也可以使气体放电管， Ｒv2也可以是稳压管或浪涌抑制二极管（TVS管）。两极之间的隔离元件Zs可以 是电感Ls或电阻Rs，若RV1和RV2的导通电压分别是Un1和Un2，所选用的元件 总是Un2Un1。
有人认为，当入侵冲击波加在X-E端子上时，总是第一级RV1先导铜，然 后才是第二级。实际上，第一级或第二级先导通都是可能的，这取决于以下因素：
(1)入侵冲击波的波形，主要是电流波前的声速（di/dt）；
(2)非线性元件Rv1和RV2的导通电压Un1和Un2的相对大小；
(3)隔离阻抗Zs的性质是电阻还是电感，以及它们的大小。
当Zs为电阻Rs时，多数情况是第二级先导通。第二级导通后，当冲击电流 I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一级才导通。第一级导通后，由于在大电流下第一级 的等效阻抗比Rs加第二级的等效阻抗之和小得多。因而大部分冲击电流经第一级 泄放，而经第二级泄放的电流则要小得多。若第一级为气体放电管，它导通后的 残压通常低于第二级的导通电压Un2，于是第二级截止，剩余冲击电流全部经第 一级气体放电管泄放。
若Zs为电感Ls，且侵入电流一开始的上升速度相当快，条件Ls(di/dt)＋ Un2Un1得到满足,则第一级先导通。若第一级导通时的限制电压为Uc1(1),则以后 随着入侵冲击电流升速(di/dt)的下降，当条件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到满足时， 第二级才导通。第二级导通后，将输出端Y的电压，抑制在一个较低的电平上。
四、不同波形冲击电流的等效变换 SPD的冲击电流试验会碰到诸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形， 那么从对于SPD的破坏作用等效的角度看，如何进行不同波形冲击电流的峰值换 算，有人主张按电荷量相等的原则进行换算。按照这一原则，只要将两种不同波 形的电流波对时间积分，求得总的电荷量，令两个电荷量相等，就可得到两种波 的电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法与泄放冲击电流的元件没有一点关 系，显然是不切合实际的。还有人主张按能量相等的原则进行换算。按照这一原 则，不仅要知道两个电流波形，还要知道当这两个电流波流入电压抑制元件时，该元件两端限制电压的波形，然后将各个时刻对应的电流值和电压值相乘而得出 功率波，再将功率波对时间积分得出能量，令两个能量值相等，就可得到两个电 流峰值之间的比例关系了。这种变换方法考虑到了具体的非线性元件，但没有考 虑冲击电流的热效应和电流值很大时的电动力效应。实际上就氧化锌压敏电阻而 言，它能承受的8/20冲击电流的能量比承受2ms时的能量大。该图表明了厚度为 1.3mm的早期压敏电阻样品能承受的冲击电流能量随电极面积的变化。可见，能 量相等的原则至少对压敏电阻是不适用的。
对氧化锌压敏电阻在大电流下破坏机理的研究得出了下述结果[4]；
在大 电流作用下，压敏电阻的破坏模式有两种，当大冲击电流的时间宽度不大于50μs 时（例如4/10和8/20波），电阻体开裂；
当电流值较小而时间宽度大于100μs时（例 如10/350、10/1000和2ms波），电阻体穿孔。两种不同破坏模式可以这样解释：
时间很短的大电流在电阻体内产生的热量来不及向周围传导，是个绝热过程，加 上电阻体的不均匀使电流的分布不均匀，这样电阻体不同部位之间的温差很大， 形成很大的热应力而使电阻体开裂。当冲击电流的作用时间较长时，电阻体不均 匀造成的电流集中，使电阻体材料熔化而形成穿孔。
使用压敏电阻体破坏的电流密度J(A・cm-2)与冲击电流波的时间宽度r（μs） 之间的关系，在双对数坐标中大体为一条斜率为负值的直线，因而可用下面的方 程式来表达：
logJ=C－Klogr 式中，C和K是与具体器件相关的两个常数，可以根据实验资料推算出来， 于是就可以计算出这种产品能够承受的不同波形冲击电流的峰值了。
综上所述，对于以压敏电阻作为非线性抑制元件的SPD，为进行不同波形 冲击电流之间的等效变换，应以两种不同波形（例8/20、10/350）的冲击电流对 所选定的压敏电阻进行试验，分别得出使试样失效的两个电流峰值，代入上式， 求得常数C和K的具体数值，然后利用该公式进行计算。试验式不一定进行到样 品开裂或穿孔，可将压敏电压变化达到-10%作为失效判据。
应当指出，就是不同企业、不同批次的压敏电阻器，尽管尺寸规格相同， 但实际能承受的冲击电流（能量）的水平可能相差很大，因此必须对每批供货逐 批抽样检验。