唐 斌 鄭捷曾

唐 斌:深圳科安達(dá)電子科技股份有限公司 工程師 518055廣東深圳

鄭捷曾:深圳科安達(dá)電子科技股份有限公司 工程師 518055廣東深圳

限壓型電源SPD被廣泛應(yīng)用于各種電子、電器設(shè)備的雷電防護(hù)。從使用安全考慮，電源SPD中設(shè)有脫離器，可以防止或減少各類事故。作為限壓型電源SPD核心部件的氧化鋅壓敏電阻，因其失效時(shí)多呈短路狀態(tài)，因此，安裝在電源線上的限壓型電源SPD在失效前應(yīng)及時(shí)脫離被保護(hù)電路，避免工頻短路電流通過SPD引發(fā)事故。由此可見，SPD內(nèi)脫離器動(dòng)作時(shí)間 (靈敏度)是一個(gè)重要的指標(biāo)，而如何提高限壓型電源SPD的脫離器動(dòng)作靈敏度是廣大SPD制造商所期望解決的問題。

1 限壓型電源SPD失效原因分析

限壓型電源SPD失效類型，大體可分為部件老化失效和遭遇暫態(tài)過電壓破壞2種。

1．部件老化失效，是指SPD的壓敏電阻因使用時(shí)間過長(zhǎng)、受到超負(fù)荷的雷電流沖擊或者本身存在缺陷，造成壓敏電阻的漏電流逐漸增加且集中流入薄弱點(diǎn)，將薄弱點(diǎn)材料融化后形成短路孔，并隨著流入短路孔的工頻電流不斷增大，最終形成熱崩潰而擊穿損壞。由于老化是一個(gè)漸進(jìn)的過程，流過壓敏電阻的電流是逐步增加的，在壓敏電阻內(nèi)有熱的積累和傳遞過程而出現(xiàn)熱平衡，只要脫離器的熱熔接點(diǎn)與壓敏電阻有良好的接觸，就有足夠的時(shí)間讓脫離器動(dòng)作，這可以通過氧化鋅壓敏基片的小電流試驗(yàn)得以證實(shí)。

以34S621K的壓敏電阻作為試驗(yàn)的主體，將壓敏電阻的裸片焊接好電極，采用垂直懸空的方式連接在熱穩(wěn)定試驗(yàn)臺(tái)上，然后進(jìn)行小電流試驗(yàn)。圖1是采用80 mA進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)的時(shí)間-溫度曲線。

圖1 80mA電流試驗(yàn)時(shí)間－溫度曲線

根據(jù)圖1分析可以看出:當(dāng)在壓敏電阻兩端加載恒定的80 mA電流時(shí)，其整體溫度基本上是隨時(shí)間變化呈線性均勻上升，經(jīng)過54 s的時(shí)間，整個(gè)壓敏電阻的溫度達(dá)到316.0℃，這時(shí)，芯片上焊接金屬電極片的焊錫已經(jīng)完全熔化，壓敏芯片與金屬電極片徹底脫離。從該試驗(yàn)來看，在壓敏電阻加載小電流的初始階段，壓敏電阻基本不會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，并且基片溫度能夠隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高，如果在壓敏電阻上串接熱敏脫離器，并設(shè)置熱熔脫離溫度在150℃ ～180℃之間，這樣壓敏電阻在被熱擊穿前就有足夠的時(shí)間脫離電路。

2．暫態(tài)過電壓破壞，是指當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或電源電壓異常波動(dòng)時(shí)，有較強(qiáng)的、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過電壓施加在SPD上，使流經(jīng)SPD的工頻電流瞬間增大，造成壓敏電阻瞬間擊穿、崩潰，導(dǎo)致更大的工頻電流涌入SPD，出現(xiàn)局部高熱、甚至起弧的現(xiàn)象。這種情況可以通過壓敏電阻的大電流試驗(yàn)進(jìn)行分析。

同樣采用34S621K的壓敏電阻作為試驗(yàn)的主體，將壓敏電阻的裸片焊接好電極，采用垂直懸空的方式連接在熱穩(wěn)定試驗(yàn)臺(tái)上，然后施加10 A的工頻電流，壓敏電阻基片6 s擊穿后，延長(zhǎng)10 s斷電。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓敏電阻芯片在大電流的作用下，從溫升到擊穿的時(shí)間非常短暫，且瞬間出現(xiàn)局部高熱或起弧，此時(shí)熱敏脫離器可能因熱熔接點(diǎn)溫度不夠而未動(dòng)作。

為避免或減少這種情況的發(fā)生，目前采取的辦法是在限壓型電源SPD前串接32～120 A斷路器或熔斷器，即在斷路器或熔斷器動(dòng)作前，可能存在32～120 A左右的工頻電流涌入SPD。為了安全，此時(shí)就需要設(shè)置高靈敏度的脫離器，使SPD能及時(shí)脫離線路。

2 限壓型電源SPD脫離器設(shè)計(jì)原理

為了進(jìn)一步提高脫離器的靈敏度，首先要分析壓敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖2所示，壓敏電阻由氧化鋅晶粒形成的芯片和2個(gè)電極及其引線組成，其中每個(gè)氧化鋅晶粒都相當(dāng)于一個(gè)可以雙向?qū)ǖ陌雽?dǎo)體器件。當(dāng)SPD導(dǎo)通后，電流從一個(gè)電極均勻地流經(jīng)每個(gè)氧化鋅晶粒到達(dá)另一個(gè)電極，此時(shí)每個(gè)氧化鋅晶粒都會(huì)產(chǎn)生熱量，使壓敏電阻溫度升高，電流越大，升溫越快。利用壓敏電阻導(dǎo)通后自身發(fā)熱的原理，就可在SPD中設(shè)置熱敏脫離器，讓脫離器的熱敏接點(diǎn)與壓敏電阻牢靠接觸，用低溫金屬材料進(jìn)行電氣連通，將低溫金屬材料的融化溫度設(shè)置在合理范圍，當(dāng)壓敏電阻的溫升達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，動(dòng)作脫離器，使SPD脫離被保護(hù)線路。

3 脫離器設(shè)置位置對(duì)動(dòng)作靈敏度的影響

限壓型電源SPD導(dǎo)通后，其壓敏電阻中間部位的溫度高于四周的溫度，將脫離器設(shè)置在中間部位的靈敏度明顯高于設(shè)置在周邊，可以通過如下試驗(yàn)來證實(shí)。

圖2 壓敏電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證壓敏電阻在脫離器能夠動(dòng)作前不被擊穿損壞，施加在壓敏電阻上的試驗(yàn)電流為320 mA。將一組脫離器設(shè)置在壓敏電阻的中間部位，另一組設(shè)置在邊緣部位，每組都分別用5個(gè)壓敏電阻，分別逐一施加320 mA電流，試驗(yàn)時(shí)觀察記錄下脫離裝置的動(dòng)作時(shí)間，如表1所示。

表1 脫離器設(shè)置在壓敏電阻不同部位動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間記錄表 s

從表1可以看出，脫離器設(shè)置在中間部位的動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間明顯小于設(shè)置在邊緣部位。這是由于壓敏電阻導(dǎo)通后產(chǎn)生的熱量在中間部位不易向外界散發(fā)，導(dǎo)致中間部位的溫度高于其他部位，脫離器的熱敏熔接點(diǎn)能快速吸收到熱量而融化，從而更快地發(fā)生動(dòng)作。

4 提高SPD脫離器靈敏度的一種方案

根據(jù)上述試驗(yàn)，可設(shè)計(jì)一種脫離器安裝在壓敏電阻內(nèi)部中間位置，達(dá)到提高靈敏度的目的。

如圖3所示，將2個(gè)壓敏電阻芯片疊層設(shè)置，一個(gè)電極設(shè)置在中間，并在其中一個(gè)壓敏電阻芯片上中間部位開孔，將該電極引出;用一金屬連接片將兩壓敏電阻芯片的另一面連接起來，形成另一個(gè)電極，熱脫離裝置的熱熔接點(diǎn)設(shè)置在從中間開孔引出的電極上。壓敏電阻導(dǎo)通后，內(nèi)部的熱量由中間向外圍傳遞散發(fā)，中間部位的熱量積累最大、溫度最高。當(dāng)電源SPD在使用中遭受過電壓、大電流導(dǎo)通時(shí)，由于脫離器的熱熔接點(diǎn)能在溫度最高部位吸收到熱量，因此具有最快的動(dòng)作時(shí)間。由此可見，設(shè)置在中間位置上的脫離器動(dòng)作靈敏度會(huì)大大提高，使SPD能及時(shí)脫離保護(hù)電路，進(jìn)一步提高安全性。

圖3 熱脫離裝置設(shè)置在壓敏電阻內(nèi)部示意圖

5 結(jié)束語

提高限壓型電源SPD在使用中的安全性能有多種方法，提高其串聯(lián)脫離器動(dòng)作靈敏度是一種解決措施。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電源SPD的安全性能將不斷提高。本文提出的觀點(diǎn)和方法，希望能起到拋磚引玉的作用。

［1］ 劉細(xì)華．電源SPD的熱穩(wěn)定試驗(yàn)在實(shí)際運(yùn)行中的意義［J］ ．半導(dǎo)體器件應(yīng)用，2010(3)．