電涌保護器應(yīng)用中的幾個問題
電涌保護器應(yīng)用中的幾個問題的探討
摘要：探討了電涌保護器（SPD）應(yīng)用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應(yīng)時間、多級SPD的動作順序、不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關(guān)系。最后說明了SPD應(yīng)用中各電壓之間的相互關(guān)系。
關(guān)鍵詞：電涌保護器、響應(yīng)時間、沖擊電流、防雷保護
一、前言
電涌保護器(SPD)是抑制由雷電、電氣系統(tǒng)操作或靜電等所產(chǎn)生的沖擊電壓，保護電子信息技術(shù)產(chǎn)品必不可少的器件。隨著各種電子信息技術(shù)產(chǎn)品越來越多地滲入到社會和家庭生活的各個領(lǐng)域，SPD的使用范圍日益擴大，市場需求量日益增長。
總的來說，電子信息技術(shù)產(chǎn)品的過電壓保護還是一個新的技術(shù)領(lǐng)域，兩相關(guān)于SPD的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1和IEC61643-21發(fā)表才幾年，有關(guān)SPD應(yīng)用中的許多問題還存在著爭議，本文就其中的4個問題提出筆者個人的看法，以期引起討論。它們是：SPD的響應(yīng)時間，多級SPD的動作順序，不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關(guān)系。最后對SPD應(yīng)用中各個電壓之間的相互關(guān)系作了說明。
二、SPD的響應(yīng)時間
不少人錯誤地認(rèn)為，響應(yīng)時間是衡量SPD保護性能的一個重要指標(biāo)，制造廠也在其技術(shù)資料中列明了這一參數(shù)，但許多制造廠并不知道它的確切含義，也未進行過測量。一個流行的觀點是，在響應(yīng)時間內(nèi)，SPD對入侵的沖擊無抑制作用，沖擊電壓是"原樣透過"SPD而作用在下級的設(shè)備上。這不符合SPD的是工作情況，是錯誤的。
SPD中對沖擊過電壓起抑制作用的非線性元件，按其工作機理可區(qū)分為"限壓型"（如壓敏電阻器、穩(wěn)壓二極管）和"開關(guān)型"（如氣體放電管、可控硅）。
氧化鋅壓敏電阻器是一種化合物半導(dǎo)體器件，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應(yīng)本質(zhì)上是很快的。圖1位美國GE公司用不帶引線的壓敏電阻進行抑制沖擊電壓的實驗所得到的示波圖[1>。圖中的曲線1是不加壓敏電阻時的沖擊電壓，曲線2是被壓敏電阻抑制后的波形。由圖可以清楚地看出，氧化鋅壓敏電阻抑制沖擊電壓作用的延時小于1ns。
那么，以前的技術(shù)資料中所說的用壓敏電阻構(gòu)成的SPD響應(yīng)時間r≤25ns是怎么回事呢？
這是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEEC62.33-1982[2>中定義的響應(yīng)時間，它是一個用來表征"過沖"特性的物理量，與通常意義上的響應(yīng)時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點，下面將IEEEC62.33-1982第6.3條款引述如下（見圖2）。
IEEEC62.3(6.3)電壓過沖（UOS）。在沖擊電流波前很陡、數(shù)值又很大時，測量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結(jié)果表明，它大于以8/20標(biāo)準(zhǔn)波時的限制電壓（圖2的Uc）。這種電壓增量UOS稱作"過沖"。盡管壓敏電阻材料本身對陡沖擊的響應(yīng)時間有所不同，但差別不大。造成過沖的主要原因是在器件的載流引線周圍建立起了磁場，該此磁場在器件引線和被保護線路之間的環(huán)路中，或者在引線與模擬被保護線路的測量電路之間的環(huán)路感應(yīng)出電壓。
在典型的使用情況下，一定的引線長度是不可避免的，這種附加電壓將加在壓敏電阻器后面的被保護線路上，所以在沖擊波波前很陡而數(shù)值又很大的條件下測量限制電壓時，必須認(rèn)識到電壓過沖對于引線長度和環(huán)路耦合的依賴關(guān)系，而不能把過沖作為器件內(nèi)在的特性來看待。
近幾年來發(fā)表的國際電工委員會關(guān)于SPD的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應(yīng)時間這一參數(shù)：IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)C62.62-2000[>更明確指出，波前響應(yīng)的技術(shù)要求對SPD的典型應(yīng)用而言是沒有必要的，可能引起技術(shù)要求上的誤導(dǎo)，因此如無特別要求，不規(guī)定該技術(shù)要求，也不進行試驗、測量、計算或其他認(rèn)證。這是因為：
（1）對于沖擊保護這一目的而言，在規(guī)定條件下測得的限制電壓，才是十分重要的特性。
（2）SPD對波前的響應(yīng)特性不僅與SPD的內(nèi)部電抗以及對沖擊電壓起限制作用的非線性元件的導(dǎo)電機理有關(guān)，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關(guān)，連接線的長短和接線方式也有重要影響。
筆者認(rèn)為，對于電源保護用SPD，以下三項技術(shù)指標(biāo)是重要的：①限制電壓（保護電平）；②通流能力（沖擊電流穩(wěn)定性）；③3連續(xù)工作電壓壽命。
三、多級SPD的動作順序
當(dāng)單級SPD不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規(guī)定保護電平以下時，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
圖3是個兩級保護SPD的例子。圖中非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實用中RV1也可以使氣體放電管，Ｒv2也可以是穩(wěn)壓管或浪涌抑制二極管（TVS管）。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導(dǎo)通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2>Un1。
有人認(rèn)為，當(dāng)入侵沖擊波加在X-E端子上時，總是第一級RV1先導(dǎo)銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導(dǎo)通都是可能的，這取決于以下因素：
(1)入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速（di/dt）；
(2)非線性元件Rv1和RV2的導(dǎo)通電壓Un1和Un2的相對大小；
(3)隔離阻抗Zs的性質(zhì)是電阻還是電感，以及它們的大小。
當(dāng)Zs為電阻Rs時，多數(shù)情況是第二級先導(dǎo)通。第二級導(dǎo)通后，當(dāng)沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級才導(dǎo)通。第一級導(dǎo)通后，由于在大電流下第一級的等效阻抗比Rs加第二級的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經(jīng)第一級泄放，而經(jīng)第二級泄放的電流則要小得多。若第一級為氣體放電管，它導(dǎo)通后的殘壓通常低于第二級的導(dǎo)通電壓Un2，于是第二級截止，剩余沖擊電流全部經(jīng)第一級氣體放電管泄放。
若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當(dāng)快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級先導(dǎo)通。若第一級導(dǎo)通時的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當(dāng)條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導(dǎo)通。第二級導(dǎo)通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個較低的電平上。
四、不同波形沖擊電流的等效變換
SPD的沖擊電流試驗會碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進行不同波形沖擊電流的峰值換算，有人主張按電荷量相等的原則進行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對時間積分，求得總的電荷量，令兩個電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點關(guān)系，顯然是不切合實際的。還有人主張按能量相等的原則進行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個電流波形，還要知道當(dāng)這兩個電流波流入電壓抑制元件時，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個時刻對應(yīng)的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對時間積分得出能量，令兩個能量值相等，就可得到兩個電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法考慮到了具體的非線性元件，但沒有考慮沖擊電流的熱效應(yīng)和電流值很大時的電動力效應(yīng)。實際上就氧化鋅壓敏電阻而言，它能承受的8/20沖擊電流的能量比承受2ms時的能量大，如圖4所示[4>。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的沖擊電流能量隨電極面積的變化。可見，能量相等的原則至少對壓敏電阻是不適用的。
對氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機理的研究得出了下述結(jié)果[4>；在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種（見圖5），當(dāng)大沖擊電流的時間寬度不大于50μs時（例如4/10和8/20波），電阻體開裂；當(dāng)電流值較小而時間寬度大于100μs時（例如10/350、10/1000和2ms波），電阻體穿孔。兩種不同破壞模式可以這樣解釋：時間很短的大電流在電阻體內(nèi)產(chǎn)生的熱量來不及向周圍傳導(dǎo)，是個絕熱過程，加上電阻體的不均勻使電流的分布不均勻，這樣電阻體不同部位之間的溫差很大，形成很大的熱應(yīng)力而使電阻體開裂。當(dāng)沖擊電流的作用時間較長時，電阻體不均勻造成的電流集中，使電阻體材料熔化而形成穿孔。
圖5的實驗曲線表明，使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A·cm-2)與沖擊電流波的時間寬度r（μs）之間的關(guān)系，在雙對數(shù)坐標(biāo)中大體為一條斜率為負(fù)值的直線，因而可用下面的方程式來表達(dá)：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是與具體器件相關(guān)的兩個常數(shù)，可以根據(jù)實驗資料推算出來，于是就可以計算出這種產(chǎn)品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。
綜上所述，對于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應(yīng)以兩種不同波形（例8/20、10/350）的沖擊電流對所選定的壓敏電阻進行試驗，分別得出使試樣失效的兩個電流峰值，代入上式，求得常數(shù)C和K的具體數(shù)值，然后利用該公式進行計算。試驗式不一定進行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達(dá)到-10作為失效判據(jù)。
應(yīng)當(dāng)指出，就是不同企業(yè)、不同批次的壓敏電阻器，盡管尺寸規(guī)格相同，但實際能承受的沖擊電流（能量）的水平可能相差很大，因此必須對每批供貨逐批抽樣檢驗。
摘要：探討了電涌保護器（SPD）應(yīng)用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應(yīng)時間、多級SPD的動作順序、不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關(guān)系。最后說明了SPD應(yīng)用中各電壓之間的相互關(guān)系。
關(guān)鍵詞：電涌保護器、響應(yīng)時間、沖擊電流、防雷保護
一、前言
電涌保護器(SPD)是抑制由雷電、電氣系統(tǒng)操作或靜電等所產(chǎn)生的沖擊電壓，保護電子信息技術(shù)產(chǎn)品必不可少的器件。隨著各種電子信息技術(shù)產(chǎn)品越來越多地滲入到社會和家庭生活的各個領(lǐng)域，SPD的使用范圍日益擴大，市場需求量日益增長。
總的來說，電子信息技術(shù)產(chǎn)品的過電壓保護還是一個新的技術(shù)領(lǐng)域，兩相關(guān)于SPD的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1和IEC61643-21發(fā)表才幾年，有關(guān)SPD應(yīng)用中的許多問題還存在著爭議，本文就其中的4個問題提出筆者個人的看法，以期引起討論。它們是：SPD的響應(yīng)時間，多級SPD的動作順序，不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關(guān)系。最后對SPD應(yīng)用中各個電壓之間的相互關(guān)系作了說明。
二、SPD的響應(yīng)時間
不少人錯誤地認(rèn)為，響應(yīng)時間是衡量SPD保護性能的一個重要指標(biāo)，制造廠也在其技術(shù)資料中列明了這一參數(shù)，但許多制造廠并不知道它的確切含義，也未進行過測量。一個流行的觀點是，在響應(yīng)時間內(nèi)，SPD對入侵的沖擊無抑制作用，沖擊電壓是"原樣透過"SPD而作用在下級的設(shè)備上。這不符合SPD的是工作情況，是錯誤的。
SPD中對沖擊過電壓起抑制作用的非線性元件，按其工作機理可區(qū)分為"限壓型"（如壓敏電阻器、穩(wěn)壓二極管）和"開關(guān)型"（如氣體放電管、可控硅）。
氧化鋅壓敏電阻器是一種化合物半導(dǎo)體器件，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應(yīng)本質(zhì)上是很快的。圖1位美國GE公司用不帶引線的壓敏電阻進行抑制沖擊電壓的實驗所得到的示波圖[1>。圖中的曲線1是不加壓敏電阻時的沖擊電壓，曲線2是被壓敏電阻抑制后的波形。由圖可以清楚地看出，氧化鋅壓敏電阻抑制沖擊電壓作用的延時小于1ns。
那么，以前的技術(shù)資料中所說的用壓敏電阻構(gòu)成的SPD響應(yīng)時間r≤25ns是怎么回事呢？
這是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEEC62.33-1982[2>中定義的響應(yīng)時間，它是一個用來表征"過沖"特性的物理量，與通常意義上的響應(yīng)時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點，下面將IEEEC62.33-1982第6.3條款引述如下（見圖2）。
IEEEC62.3(6.3)電壓過沖（UOS）。在沖擊電流波前很陡、數(shù)值又很大時，測量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結(jié)果表明，它大于以8/20標(biāo)準(zhǔn)波時的限制電壓（圖2的Uc）。這種電壓增量UOS稱作"過沖"。盡管壓敏電阻材料本身對陡沖擊的響應(yīng)時間有所不同，但差別不大。造成過沖的主要原因是在器件的載流引線周圍建立起了磁場，該此磁場在器件引線和被保護線路之間的環(huán)路中，或者在引線與模擬被保護線路的測量電路之間的環(huán)路感應(yīng)出電壓。
在典型的使用情況下，一定的引線長度是不可避免的，這種附加電壓將加在壓敏電阻器后面的被保護線路上，所以在沖擊波波前很陡而數(shù)值又很大的條件下測量限制電壓時，必須認(rèn)識到電壓過沖對于引線長度和環(huán)路耦合的依賴關(guān)系，而不能把過沖作為器件內(nèi)在的特性來看待。
近幾年來發(fā)表的國際電工委員會關(guān)于SPD的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應(yīng)時間這一參數(shù)：IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)C62.62-2000[>更明確指出，波前響應(yīng)的技術(shù)要求對SPD的典型應(yīng)用而言是沒有必要的，可能引起技術(shù)要求上的誤導(dǎo)，因此如無特別要求，不規(guī)定該技術(shù)要求，也不進行試驗、測量、計算或其他認(rèn)證。這是因為：
（1）對于沖擊保護這一目的而言，在規(guī)定條件下測得的限制電壓，才是十分重要的特性。
（2）SPD對波前的響應(yīng)特性不僅與SPD的內(nèi)部電抗以及對沖擊電壓起限制作用的非線性元件的導(dǎo)電機理有關(guān)，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關(guān)，連接線的長短和接線方式也有重要影響。
筆者認(rèn)為，對于電源保護用SPD，以下三項技術(shù)指標(biāo)是重要的：①限制電壓（保護電平）；②通流能力（沖擊電流穩(wěn)定性）；③3連續(xù)工作電壓壽命。
三、多級SPD的動作順序
當(dāng)單級SPD不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規(guī)定保護電平以下時，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
圖3是個兩級保護SPD的例子。圖中非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實用中RV1也可以使氣體放電管，Ｒv2也可以是穩(wěn)壓管或浪涌抑制二極管（TVS管）。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導(dǎo)通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2>Un1。
有人認(rèn)為，當(dāng)入侵沖擊波加在X-E端子上時，總是第一級RV1先導(dǎo)銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導(dǎo)通都是可能的，這取決于以下因素：
(1)入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速（di/dt）；
(2)非線性元件Rv1和RV2的導(dǎo)通電壓Un1和Un2的相對大小；
(3)隔離阻抗Zs的性質(zhì)是電阻還是電感，以及它們的大小。
當(dāng)Zs為電阻Rs時，多數(shù)情況是第二級先導(dǎo)通。第二級導(dǎo)通后，當(dāng)沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級才導(dǎo)通。第一級導(dǎo)通后，由于在大電流下第一級的等效阻抗比Rs加第二級的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經(jīng)第一級泄放，而經(jīng)第二級泄放的電流則要小得多。若第一級為氣體放電管，它導(dǎo)通后的殘壓通常低于第二級的導(dǎo)通電壓Un2，于是第二級截止，剩余沖擊電流全部經(jīng)第一級氣體放電管泄放。
若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當(dāng)快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級先導(dǎo)通。若第一級導(dǎo)通時的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當(dāng)條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導(dǎo)通。第二級導(dǎo)通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個較低的電平上。
四、不同波形沖擊電流的等效變換
SPD的沖擊電流試驗會碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進行不同波形沖擊電流的峰值換算，有人主張按電荷量相等的原則進行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對時間積分，求得總的電荷量，令兩個電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點關(guān)系，顯然是不切合實際的。還有人主張按能量相等的原則進行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個電流波形，還要知道當(dāng)這兩個電流波流入電壓抑制元件時，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個時刻對應(yīng)的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對時間積分得出能量，令兩個能量值相等，就可得到兩個電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法考慮到了具體的非線性元件，但沒有考慮沖擊電流的熱效應(yīng)和電流值很大時的電動力效應(yīng)。實際上就氧化鋅壓敏電阻而言，它能承受的8/20沖擊電流的能量比承受2ms時的能量大，如圖4所示[4>。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的沖擊電流能量隨電極面積的變化。可見，能量相等的原則至少對壓敏電阻是不適用的。
對氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機理的研究得出了下述結(jié)果[4>；在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種（見圖5），當(dāng)大沖擊電流的時間寬度不大于50μs時（例如4/10和8/20波），電阻體開裂；當(dāng)電流值較小而時間寬度大于100μs時（例如10/350、10/1000和2ms波），電阻體穿孔。兩種不同破壞模式可以這樣解釋：時間很短的大電流在電阻體內(nèi)產(chǎn)生的熱量來不及向周圍傳導(dǎo)，是個絕熱過程，加上電阻體的不均勻使電流的分布不均勻，這樣電阻體不同部位之間的溫差很大，形成很大的熱應(yīng)力而使電阻體開裂。當(dāng)沖擊電流的作用時間較長時，電阻體不均勻造成的電流集中，使電阻體材料熔化而形成穿孔。
圖5的實驗曲線表明，使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A·cm-2)與沖擊電流波的時間寬度r（μs）之間的關(guān)系，在雙對數(shù)坐標(biāo)中大體為一條斜率為負(fù)值的直線，因而可用下面的方程式來表達(dá)：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是與具體器件相關(guān)的兩個常數(shù)，可以根據(jù)實驗資料推算出來，于是就可以計算出這種產(chǎn)品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。
綜上所述，對于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應(yīng)以兩種不同波形（例8/20、10/350）的沖擊電流對所選定的壓敏電阻進行試驗，分別得出使試樣失效的兩個電流峰值，代入上式，求得常數(shù)C和K的具體數(shù)值，然后利用該公式進行計算。試驗式不一定進行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達(dá)到-10作為失效判據(jù)。
應(yīng)當(dāng)指出，就是不同企業(yè)、不同批次的壓敏電阻器，盡管尺寸規(guī)格相同，但實際能承受的沖擊電流（能量）的水平可能相差很大，因此必須對每批供貨逐批抽樣檢驗。
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