防雷器件分析报告

防雷器件分析报告一、MOV压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，现在大量使用的是氧化锌（ZnO）压敏电阻。1.压敏电阻的原理氧化锌压敏电阻器是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。由于其独特的晶界结构（如下图），在一定电场下，晶界导电由热电子发射传导瞬间转变为电子隧道传导，其电阻值随着电压的增大而急剧减小，具有优异的非线性伏安特性。那么，当存在过电压时，晶界电子隧道效应抑制过电压峰值增长，吸收部分过电压能量，从而起到对线路或设备的防护作用。由于压敏电阻不同于气体放电管，将能量泻放到大地，而是在过压条件下自身电阻降低将电能转化为热能在晶界层电子隧道上耗散，所以在设计使用时需要注意散热和通流量。并且压敏电阻器应用在电力线路或电子线路,若各种类型的过电压频繁出现，则压敏电阻器就会频繁动作以抑制过电压幅值和吸收释放浪涌能量保护电气设备及元器件,这种频繁的动作势必会导致压敏电阻器的性能劣化乃至失效。压敏电阻物理结构压敏电阻典型V/A曲线压敏电阻器的失效方式有3种:（1）劣化，表现为漏电流增大，压敏电压显著下降，直至为零；（2）炸裂，若过电压引起的浪涌能量太大，超过了所选用的压敏电阻器极限承受能力，则压敏电阻器在抑制过电压时将会发生陶瓷炸裂现象；（3）穿孔，若过电压峰值特别高，导致压敏电阻器陶瓷瞬间发生电击穿，表现为穿孔。其中，在进行分级防雷保护前提下，压敏电阻器的失效模式绝大部分表现为劣化和穿孔（即短路），因此，在使用压敏电阻器时，必须与之串联一个合适的断路器或保险丝，避免电路短路引起事故。目前，国际上流行的过电压保护器就是将压敏电阻器与限流、过流和劣化告警装置有机地组合在一起，它除了具有过电压保护功能外，还具有防止自身劣化、导致电路短路的功能。2.压敏电阻的特性参数压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压U1ma；残压Uc；残压比K（K=Uc/U1ma）；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。（1）额定工作电压：允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压的有效值Vrms/Vac或最大直流电压Vp/Vdc。而压敏电阻在吸收暂态过电压能量后自身温度升高，在此电压下能正常冷却，不会发热损坏。如果在超过该电压的电路上连续使用，MOV会因过度发热而损坏。因此，需要选择即使是在电源电压的变化处于最差的情况下也绝对不会超过MOV的最大额定工作电压。（2）漏电流：漏电流是指在正常情况下通过压敏电阻微安数量级的电流。漏电流越小越好。通常在规定的温度和最大直流电压下测得。对于漏电流特别应强调的是必须稳定，不允许在工作中自动升高，一旦发现漏电流自动升高，就应立即淘汰，因为漏电流的不稳定是加速防雷器老化和防雷器爆炸的直接原因。（3）压敏电压：即击穿电压或阈值电压，指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值。体积小的或者高电压的MOV为了避开发热，有的将测定电流设定为0.1mA。此时，标记为V0.1mA。（4）残压Uc：即箝位电压，压敏电阻在通过规定波形的大电流时其两端出现的最高峰值电压。大多数情况下用1A的8/20us脉冲电流波形通入压敏电阻器时测得的电压值。残压比则是残压与压敏电压之比。（5）浪涌电流容量：即最大脉冲电流的峰值，是环境温度为25℃下，加载2次8／20μs的标准冲击电流，2次之间间隔5分钟，压敏电压的变化不超过±10%时的最大脉冲电流值。通常选取此值需要降额30%-50%设计，以确保器件在电路中长期稳定运行。厂家在技术规格书中也会提供两个电流容量值，如ZOV产品规格中提到standard和highsurge两种，选取时按standard值选取已经满足降额设计要求，可直接使用。（6）最大吸收能量：指在加载1次2ms的方形波时，表示压敏电阻电压的变化率相对于初期值停留在10%以内时的最大能量的量，此值也表示压敏电阻能吸收的最大能量。在遭受雷击浪涌冲击时，总的发热量不能超过此值。（7）响应时间：是指加在压敏电阻两端的电压下降到等于压敏电压所需的时间，达到这一时间后压敏电压完全导通。压敏电阻的响应时间为500ns左右。（8）寄生电容：压敏电阻一般都有较大的寄生电容，通常测试使用1khz频率测定。它的寄生电容一般在几百微微法到几千微微法之间，因而它不利于对高频电子系统的保护。因为这种寄生电容对高频信号的传输会产生畸变作用，从而影响系统的正常运行。因而对频率较高的系统的保护，应选择寄生电容低的压敏电阻型防雷器。按经验来说，通流量越大的压敏电阻寄生电容越大，反之越小。3.压敏电阻的选用技巧（1）压敏电压U1ma选取一般地说,压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行选择:U1ma＝av/bc式中:a为电路电压波动系数，一般取1.2；v为电路直流工作电压(交流时为有效值)；b为压敏电压误差，一般取0.85；c为元件的老化系数，一般取0.9；这样计算得到的U1ma实际数值是直流工作电压的1.5倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1．414倍。一般U1ma=1.8Vp=2.2Vac，式中，Vp为电路额定电压的峰值，Vac为额定交流电压的有效值。（2）残压Uc选取压敏电阻的残压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。（3）浪涌电流容量通流量选取压敏电阻的浪涌电流容量和其器件直径相关（片式压敏电阻），压敏电阻直径越大，浪涌电流容量越大。以公司使用的ZOV普通型片式压敏电阻为例，压敏电阻直径和浪涌电流容量对应关系（standard/highsurge）：5D（低压）100A/250A，5D（高压）400A/800A，7D（低压）250A/500A，7D（高压）1.2KA/1.7KA，20D（低压）2KA/3KA，20D（高压）6.5KA/10KA。压敏电阻使用在直流/交流电源线上，为提高长期工作可靠性，可将同一厂家同一型号压敏电阻并联，达到均流目的，降低压敏电阻受冲击后劣化速度。但必须保证同一厂家同一型号压敏电阻并联，否则出现分流不均，会造成严重后果。4.片式压敏电阻器的优势片式压敏电阻器具有优良的浪涌能量吸收能力及内部散热能力，响应速度非常快（响应时间500ns），因此具有优良的浪涌噪声的抑制能力。（1）体积更小（2）能量耐受能力和通流能力更高（3）限制电压小，保护性能好（4）响应速度更快、电压过冲小ZnO材料本身的响应速度极快，响应时间小于500ps。传统的圆片式ZnO压敏电阻器的响应速度较慢主要是由其封装和引线带来的寄生电感造成的。MLV由于完全采用表面安装形式，无任何引线和外部封装，几乎是零电感，因此响应时间极短，仅为1ns～5ns，而且电压过冲很小。5.压敏电阻使用注意（1）漏电流压敏电阻作为非线性电阻器件，绝缘电阻值在10的7次方。低于压敏电压工作时会出现不超过10的-3次方安培的漏电流。在电力线场合使用，对漏电流要求严格时需要考虑此问题。（2）温度保险丝压敏电阻选取时降额使用，降低了浪涌冲击对器件物理损伤的风险。压敏电阻通常以短路形式失效，在电力线场合使用短路失效会造成起火等灾害，所以使用时须紧贴压敏电阻串联温度保险丝（135℃/10A/250V），以提高系统可靠性。二、TVSTVS（TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR）或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，通常并联于被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。1.TVS二极管的分类TVS器件可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件，如：各种交流电压保护器、4~200mA电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列（适用多线保护）、贴片式、组件式和大功率模块式等，轴向引线的产品峰值功率可达400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装场合。对于高密度安装的场合，也可以选择双列直插和表面贴装等封装形式。2.TVS的特性曲线单极性TVS的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流，由原来的反向漏电流IR上升到IT时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压VRWM上升到击穿电压VBR，TVS被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPP。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压Vc以下。尔后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，当TVS之间最后恢复到起始状态。单极性TVS伏安响应特性双极性TVS的V-I特性曲线如同两只单极性TVS“背靠背”组合，其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性，如图所示。3.TVS的特性参数（1）反向工作电压(VRWM)和反向漏电流(IR)VRWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加入TVS的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流IR。（2）反向雪崩电压(VBR)和测试电流(IT)VBR是TVS最小的击穿电压，在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的电流等于IT时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。在此区域内，二极管成为低阻抗的通路。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说，VRWM=0.85VBR；对于10%的VBR来说，VRWM=0.81VBR。（3）最大箝位电压(VC)和最大峰值脉冲电流(IPP)IPP是TVS在反向工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。典型试验波形的TR/TP值有EMP波：10ns/1000ns、闪电波：8μs/20μs、标准波：10μs/1000μs。在脉冲峰值电流Ipp作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。一般的器件资料会给出1A和IPP条件下两个测试值。图1-3表明当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来状态。因此，TVS能抑制可能出现的脉冲功率的冲击，从而有效地保护电子线路。（4）击穿维持电流（IH）TVS发生击穿后，脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压和电流随之不断下降，当低于击穿维持电流IH后，TVS由击穿短路状态转化为开路状态。通常IH是动态特性，如BournsTISP4xxxx系列用IT=±5A,di/dt=±30mA/ms参数来度量，得到IH最大值和最小值。TISP4xxxx参数截图（5）反向脉冲峰值功率PPRTVS的PPR取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压Vc(max)。在给定的最大箝位电压下，PPR越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗PPR下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。除此以外，还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。当脉冲时间Tp一定时，PPR=K1·K2·Vc(max)·Ipp。式中K1为功率系数，K2为功率的温度系数。典型的脉冲持续时间tp为1MS，当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp比标准脉冲时间短时，其脉冲峰值功率将随tp的缩短而增加。图1-8给出了PPR与tp的关系曲线。TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关，用功率系数K1表示，各种浪涌波形的K1值如表1所示。E