李祥超，馬驍騏

（南京信息工程大學氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044）

0 引言

ZnO壓敏電阻作為電涌保護器的關(guān)鍵元件在限制電力系統(tǒng)過電壓方面有著不可取代的作用，能直接決定電力系統(tǒng)的過電壓水平和設(shè)備的絕緣程度。但在長期工作電壓作用或短時沖擊電流作用時，其電氣性能不可避免的會產(chǎn)生老化劣化甚至失效現(xiàn)象[1]。為了避免ZnO壓敏電阻因其老化劣化導(dǎo)致對電力系統(tǒng)長時間、穩(wěn)定、安全運行的影響，研究其性能以及在長期直流電壓作用下的老化劣化機理極為重要[2-3]。尤其在風力發(fā)電方面，由于風力發(fā)電機的外形巨大，更容易成為雷擊的目標。除雷電的熱效應(yīng)導(dǎo)致風機葉片爆裂外，風機的長期工作也會對內(nèi)部機輪造成損害，因此電涌保護器的選擇和安裝也極為重要，ZnO壓敏電阻老化劣化的研究分析則顯得更為關(guān)鍵。在研究中進一步得到ZnO壓敏電阻分別在單一直流電壓，正、反向直流電壓下的壓敏電壓、漏電流和分布電容隨時間和電壓的變化規(guī)律，驗證ZnO壓敏電阻的極性效應(yīng)。

從20世紀70年代開始，就有很多學者針對ZnO壓敏電阻的蛻變機理展開了大量的研究。目前國內(nèi)外對此還沒有比較一致的結(jié)論。普遍認為ZnO壓敏電阻的老化失效是電流長時間作用的老化積累，長期的直流電壓及多次的電流沖擊都會使肖特基勢壘發(fā)生畸變，致使壓敏電阻非線性下降，從而引起其老化劣化現(xiàn)象的發(fā)生[4-5]。伊桂來等在《ZnO壓敏陶瓷沖擊老化的電子陷阱過程研究》一文中得出在沖擊電流作用下壓敏電阻非線性系數(shù)的變化規(guī)律；宋曉蘭在《ZnO壓敏陶瓷中的次晶界、主晶界及其對電性能的作用》一文中研究發(fā)現(xiàn)，壓敏電阻的非線性特性與其結(jié)構(gòu)、熱處理和燒結(jié)程度有著重要的關(guān)系；Eda，Matsuoka在文章《Thermally stimulated current in nonohmic ZnO ce?ramics》中提出老化的樣品會產(chǎn)生熱刺激電流，可能與離子遷移有關(guān)的結(jié)論[6-8]。到目前為止，以上學者對沖擊電流下的壓敏電阻老化劣化做了很好的研究，但對直流電壓作用下老化劣化的分析研究甚少。

通過長時間直流電壓對ZnO壓敏電阻作用的方法對其老化劣化的問題進行試驗，發(fā)現(xiàn)ZnO壓敏電阻隨時間和電流大小產(chǎn)生老化劣化的現(xiàn)象，得出壓敏電壓、漏電流和分布電容在老化過程中的規(guī)律，并得出在正反向電壓作用下的壓敏電阻發(fā)生極性效應(yīng)的結(jié)論，這在ZnO壓敏電阻的實際應(yīng)用中有一定的使用價值。

1 ZnO壓敏電阻劣化、老化的理論分析

ZnO晶粒吸收能量的水平與它的熱容量密切相關(guān)，電流流過ZnO壓敏電阻時主要集中在晶界層發(fā)熱。晶粒尺寸越大，大小越均勻，其吸收能量的水平就越大。當ZnO晶粒大小不均勻時，電流流過壓敏電阻時其內(nèi)部單位厚度壓敏電壓（U1mA/mm）分布也不均勻，主要從大晶粒流過，這便導(dǎo)致電流局部集中。因為ZnO壓敏電阻的非線性特性非常明顯，所以這種影響十分顯著。晶界中的電子陷阱能夠截取ZnO晶粒的自由載流子，從而在空間中形成負電荷層，使晶界兩側(cè)的ZnO晶粒導(dǎo)帶向上彎曲，形成晶界勢壘[9]。一般地，這種勢壘可看作背靠背的雙肖特基勢壘。

ZnO壓敏電阻電流密度和電場強度的電流—電壓特性可以分為三個區(qū)段，且在不同的電流區(qū)域顯示完全不同的溫度特性。當電壓值小于擊穿電壓時，壓敏電阻類似于絕緣體；而當電壓值比擊穿電壓大時，壓敏電阻就成為導(dǎo)體。根據(jù)ZnO壓敏電阻的晶界勢壘能帶模型，當外施電壓作用時，晶界勢壘能帶發(fā)生傾斜現(xiàn)象，左側(cè)勢壘受到正向偏壓的作用，而右側(cè)勢壘則受到反向偏壓的作用。類似于p-n結(jié)的性質(zhì)[10]，外施電場的方向與左側(cè)勢壘中電場的方向相反，因而勢壘中電場被削弱，勢壘高度降低；而對于右側(cè)勢壘，外施電場的方向與勢壘中電場的方向相同，從而加強了勢壘中的電場，勢壘高度升高。因此，導(dǎo)電過程被阻擋的主要原因就是右側(cè)勢壘高度的升高，ZnO壓敏電阻的導(dǎo)電過程主要由反偏勢壘決定。

在小電流區(qū)，當電流流過ZnO壓敏電阻時，由于外施電壓低于壓敏電壓，漏電流主要是由越過肖特基勢壘的熱電子產(chǎn)生的電流，溫度越高，越過勢壘的電子數(shù)量越多，相應(yīng)的電流按指數(shù)規(guī)律增加，表現(xiàn)出電阻溫度系數(shù)為負值。實驗表明，的關(guān)系曲線是一條直線。其導(dǎo)電過程可用肖特基勢壘的熱電子發(fā)射定律來表達，電流密度為[11]

式中：J0、β為常數(shù)；?B為晶界勢壘高度，mm；E為電場強度；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

在中電流區(qū)，外施電壓高于壓敏電壓，電壓—電流特性可以用電子穿越反偏勢壘的隧道效應(yīng)來解釋，導(dǎo)電過程主要由穿越勢壘的隧道電流產(chǎn)生，由于溫度對隧道電流幾乎沒有影響，故電阻隨溫度變化很小。電流與溫度的關(guān)系只是由于進入勢壘的電子數(shù)目和勢壘高度隨溫度的變化而造成的，這些因素給電阻帶來小的負溫度系數(shù)[12]。在大電流區(qū)，ZnO晶粒的固有電阻主要決定了其電壓—電流特性的趨勢，由于晶粒電阻是線性的，電壓與電流成正比關(guān)系，從而導(dǎo)致該特性出現(xiàn)回升現(xiàn)象[13]。根據(jù)實驗測量，在大電流區(qū)，α接近1，這意味著ZnO晶粒中的束縛勢壘實際上被短路掉，載流子全部參加導(dǎo)電，因此雜質(zhì)和點陣離子熱振動對載流子的散射作用成為有效導(dǎo)電的阻礙因素，使電阻隨著溫度升高而增加。

根據(jù)式（1）可以看出，泄漏電流與外施電壓、勢壘高度和溫度有關(guān)。當外施電壓和溫度一定時，勢壘高度的降低會導(dǎo)致泄漏電流增大。依據(jù)老化前后不同溫度下的電壓—電流特性，可以認為，壓敏電阻漏電流在老化后增大，完全是由于肖特基勢壘高度降低造成的，且其增大的程度取決于勢壘高度降低的程度。

ZnO壓敏電阻的介電特性不僅表明電容和介電損耗角正切（tanδ）隨溫度、頻率等因素的變化規(guī)律，并且通過極化機構(gòu)的討論，可以揭示ZnO壓敏電阻的顯微結(jié)構(gòu)。

根據(jù)等值電路，電容C和介電損耗角正切tanδ可表示為[14-15]

式中：d為晶粒尺寸，mm；H為電阻片厚度，mm；εo為真空介電常數(shù)；εr為ZnO的相對介電常數(shù)；L為耗盡層厚度，mm；K為由材料決定的常數(shù)；A為電極面積，mm2；U1mA為壓敏電壓。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗方案

在34S621KA壓敏電阻兩端分別施加10 mA、25 mA和42 mA電流作用10、15、20、25、30 min，通電結(jié)束將壓敏電阻放置冷卻至室溫后測量其壓敏電壓、漏電流和分布電容并記錄；同理，在32R621KA兩端分別施加10 mA、20 mA和30 mA電流，冷卻至室溫后測量數(shù)據(jù)并記錄。注意每次通電時使壓敏電阻都保持在單一正極性直流電壓作用下。將32R621KB和34S621KB壓敏電阻進行兩端施加正、負極性交替作用的試驗，試驗步驟同上。其試驗結(jié)構(gòu)見圖1。

采用熱穩(wěn)定測試儀作為直流高壓源。熱穩(wěn)定測試儀一般用于對低壓SPD、壓敏電阻等防雷保護器產(chǎn)品的熱穩(wěn)定脫扣能力進行測試，可穩(wěn)定輸出電流。在其中加入一個10 kV的限流電阻R，使電流輸出更穩(wěn)定，電阻Rc則是我們試驗的樣品ZnO壓敏電阻。

圖1 直流電壓作用壓敏電阻試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of varistor test under DC voltage

2.2 試驗樣品參數(shù)

選擇同一廠家生產(chǎn)的不同型號的ZnO壓敏電阻產(chǎn)品，試品型號為34S621K和32R621K兩種，分別選擇兩片各參數(shù)均不相同的壓敏電阻，編號34S621KA、B和32R621KA、B，測試靜態(tài)參數(shù)的儀器為多功能SPD靜態(tài)參數(shù)測試儀K-3192，其各參數(shù)見表1。

表1 ZnO壓敏電阻各型號參數(shù)Table 1 Parameters of various types of ZnO varistors

表1中，壓敏電壓U1mA為壓敏電阻通過1mA直流電流時其兩端的電壓；漏電流IL為在0.75U1mA的低電壓作用下，壓敏電阻中流過的電流。從表1中可看出，兩組壓敏電壓在通電作用之前，正、負極性電壓幅值差值在5 V以內(nèi)，伏安特性基本相同。這是因為在試驗之前，樣品沒有經(jīng)過外施電壓的作用，壓敏電阻內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)分布均勻，肖特基勢壘左右兩邊高度對稱。因此正、負向極性電壓測量值幾乎一致，此時壓敏電阻不存在極性效應(yīng)。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

圖2、圖3是34S621KA壓敏電阻老化后其正、負極性壓敏電壓、漏電流與時間和電流的規(guī)律變化圖，表2、表3是32R621KA老化后各參數(shù)數(shù)據(jù)。由圖表可以看出，在正極性電流作用下，隨著時間的加長和電流的加大，壓敏電阻出現(xiàn)老化現(xiàn)象，且老化程度愈來愈嚴重，壓敏電阻的壓敏電壓呈現(xiàn)平穩(wěn)的增長趨勢，在某一時刻迅速下降；漏電流則一直呈增長趨勢，并在30 mA時快速上升；其次，從整體來看，正向漏電流變化比負向變化大，且在大電流長時間下表現(xiàn)明顯。

由圖表所示，單一正極性直流作用時，正向壓敏電壓變化幅度均小于負向電壓變化，且在作用后出現(xiàn)明顯的極性效應(yīng)。在老化初始階段，正、負極性壓敏電壓均有上升，正向電壓與原始參數(shù)差值大約有10 V，而負向電壓則相差有30 V左右。當電流在20 mA時，電壓上升幅度變小，通電200 min之后出現(xiàn)下降趨勢。這表明在一定電流強度范圍內(nèi)，壓敏電壓伏安特性的極性效應(yīng)及其老化程度均隨電流的增加而增大，但表現(xiàn)出增加逐漸減慢的趨勢，并在達到最大時銳減。

圖2 樣品34S621KA時間與壓敏電壓關(guān)系Fig.2 Relationship between 34S621KA time and varistor voltage

圖3 樣品34S621KA時間與漏電流變化規(guī)律Fig.3 Variation law of 34S621KA time and leakage current

表2 樣品32R621KA老化后壓敏電壓參數(shù)Table 2 Sample 32R621KA pressure sensitive voltage parameters after aging

從漏電流的變化規(guī)律來看，小電流（10 mA以下）、短時間（100 min以內(nèi)）都不會加重壓敏電阻的老化劣化，這是因為在老化前期，壓敏電阻吸收的能量很少，表面溫度不高，內(nèi)部晶界層晶界結(jié)構(gòu)只能發(fā)生微小的變化，離子遷移不夠活躍，在電阻片冷卻至室溫的過程中，晶界結(jié)構(gòu)得以復(fù)原，使漏電流恢復(fù)到原來的參數(shù)。而老化后期（20 mA以上、120 min以上）壓敏電阻吸收了大量的能量，內(nèi)部積聚較高的溫度，使晶界層中的離子活動更加活躍。由式（1），漏電流與肖特基勢壘高度、外施電壓及溫度有關(guān)。當外施電壓和溫度增加時，離子變得活躍，離子遷移會導(dǎo)致勢壘高度的降低；當外施電壓和溫度一定時，勢壘高度降低將導(dǎo)致漏電流的增大。長時間的大電流作用使壓敏電阻結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即使其恢復(fù)至室溫也無法使肖特基勢壘恢復(fù)至原來的高度，因此在老化后期漏電流明顯增大。

圖4至圖5是34S621KB壓敏電阻老化后其正負極性壓敏電壓、漏電流與時間和電流的規(guī)律變化圖。表4至表5是32R621KB壓敏電阻老化后各參數(shù)數(shù)據(jù)。由圖表可以看到，正、負極性通電老化后各參數(shù)變化與單一正極性通電的壓敏電阻樣品A老化規(guī)律類似，但程度明顯小得多。此外，大于一定電流和時間后，試樣的極性效應(yīng)趨于消失。

在電流30 mA，時間30min時，單一正極性老化的34S621KA正向壓敏電壓較老化前大約降低了30 V，而正、負極性交替作用老化的樣品B只降低了大約10 V，這說明正、負極性電壓先后作用于同一類型產(chǎn)品，可以使伏安特性極性效應(yīng)減小。由表中可以看出，在老化后期電壓到達最大值后，其電壓下降趨勢與直流方向有關(guān)。這說明正負極性交替作用后壓敏電阻雖已發(fā)生老化現(xiàn)象，但其伏安特性明顯變化的要小，極性效應(yīng)也逐漸減小。

圖4 樣品34S621KB時間與壓敏電壓關(guān)系Fig.4 Relationship between 34S621KB time and varistor voltage

圖5 樣品34S621KB時間與漏電流變化規(guī)律Fig.5 variation law of 34S621KB time and leakage current

表4 樣品32R621KB老化后壓敏電壓參數(shù)Table 4 Sample 32R621KB varistor voltage parameters after aging

表5 樣品32R621KB老化后漏電流參數(shù)Table 5 The leakage current parameters of sample 32R621KB after aging

從漏電流的變化圖表可以看出，老化前期其變化幅度基本在1 mA以內(nèi)，后期則呈曲折式上升，通電100 min以后，漏電流有小幅度明顯的升高，但還是與通電方向有關(guān)。由于正、負極性電流交替作用時，ZnO壓敏電阻晶界層內(nèi)離子左右遷移使得最終位置幾乎不變，在這種情況下肖特基勢壘高度幾乎沒有降低，因而如圖5所示，其漏電流增大的并不明顯，即其老化現(xiàn)象發(fā)生的要比單一正極性作用時發(fā)生的要緩慢許多。

圖6至圖9分別為壓敏電阻34S621KA、B和32R621KA、B老化后其正負極性分布電容與時間和電流的規(guī)律變化圖（正向測量/負向測量）。

圖6 樣品34S621KA時間與分布電容變化規(guī)律Fig.6 Variation law of 34S621KA time and distributed capacitance

圖7 樣品34S621KB時間與分布電容變化規(guī)律Fig.7 Variation law of 34S621KB time and distributed capacitance

圖8 樣品32R621KA時間與分布電容變化規(guī)律Fig.8 Variation law of 32R621KA time and distributed capacitance

采用的壓敏電阻結(jié)構(gòu)均為中部為厚度4～5 mm的ZnO，兩邊是比周圍略為縮小的銅質(zhì)電極片，因此壓敏電阻本身就是一個標準的電容器。樣品34S621K和32R621K老化前后的分布電容均是在1kHz頻率下測試的，其容量很小，只有nF級，這種特性對高頻信號很敏感。因此，在此次直流作用線路中，壓敏電阻的分布電容變化并不明顯，僅僅因為溫度升高，電阻片內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致比老化前數(shù)值略微下降。

圖9 樣品32R621KB時間與分布電容變化規(guī)律Fig.9 Variation law of 32R621KB time and distributed capacitance

4 結(jié)論

ZnO壓敏電阻在直流作用下發(fā)生老化劣化現(xiàn)象，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部宏觀參數(shù)都會發(fā)生變化，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變將直接導(dǎo)致其電氣性能參數(shù)的改變。通過試驗可以得出以下結(jié)論。

1）ZnO壓敏電阻老化前，其內(nèi)部晶界結(jié)構(gòu)完整沒有變化，晶界兩側(cè)肖特基勢壘高度對稱，其正、負極性伏安特性曲線幾乎相同，沒有產(chǎn)生極性效應(yīng)，正、負極性的壓敏電壓差值不超過5 V，漏電流幾乎相等。

2）在單一正極性直流作用下，ZnO壓敏電阻發(fā)生老化現(xiàn)象，隨著時間和電流的增加，其老化程度愈發(fā)加重，極性效應(yīng)也隨之出現(xiàn)，壓敏電壓和漏電流均出現(xiàn)不同程度的變化，且正極性老化程度大于負極性老化。

3）在正、負極性直流交替作用下，ZnO壓敏電阻老化時間推遲，老化程度減小，壓敏電壓和漏電流變化趨勢較單一正極性趨勢減弱，且極性效應(yīng)趨于消失。

4）在直流作用下，ZnO壓敏電阻的分布電容變化平緩，除與老化前數(shù)值相比有些許減小外，并無巨大波動。

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