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搞定了？ 探论限压型SPD专用
氧化锌压敏电阻器电性能标准
深圳平宇通讯技术有限公司 陈泽同 关键词：SPD、压敏电阻、热容量、低压电器、标准。
摘 要： 限压型SPD已成为低压电器的新品种，国标与各行业标准也纷纷对其性能作出严格的规定。但制作SPD的核心元件：专用压敏电阻至今没有一个标准。许多企业用通用型压敏电阻来制作SPD，导致产品品质的混乱，给安全运行留下严重隐患。
本文以SPD的技术标准，探讨对氧化锌压敏电阻各参数技术要求，同时也对通用型、专用型进行比较。希望尽快建立SPD专用氧化锌压敏电阻器的标准。
在信息技术高速发展的今天，人们充分感受到信息化带来的便利，同时各种信息设备的安全也成为大家关心的问题。以微电子技术为核心的信息设备对雷电脉冲，核电磁脉冲，工业干扰等引起的瞬态过电压和过电流极其敏感。据测定，十公里范围内产生的雷击波会严重干扰甚至损坏电子设备。雷电造成的经济损失逐年上升，被联合国定为十大自然灾害之一。因此，作为建筑物、电器，电子设备、电信和网络不可缺少的保护器—防雷器(Surge Protective Device—简称SPD)，在各行各业中的应用越来越广泛。
由于限压型SPD良好的通流、时间响应和较低的残余电压等特性，其产量最大、应用面最广。己渐成为电源、通信、网络、物流、能源、交通、住宅安全、家用电器、高精尖等设备防护的新的低压电器产品。
众所周知限压型SPD的核心元件是氧化锌压敏电阻(Metal Oxide Varistors)，简称为MOV芯片。它的优劣直接影响SPD的品质，目前尚无这方面的标准。本文讨论的就是专用基片与目前压敏电阻器标准不同之处。
下表将二者不同之处分别列出，并逐一说明
项目 / 规格专用芯片通用型压敏电阻备 注
V1mA注重注重
Ir注重冲击后的稳定性注重
α系数注重
限制电压一般注重
In下残压非常注重
－10%失效判别由老化特性决定。注重制成SPD由脱扣机构决定
热稳定性非常注重
额定通流In下冲击寿命非常注重一般
冲击寿命曲线趋势非常注重
最大通流Imax非常注重
基片平整度注重
银层厚度和附着力非常注重
压敏电压V1mA：在SPD行业里住往与最大持继工作电压Uc联系在一起。GB18802规定：允许持久施加在SPD上的最大交流有效值或直流电压。压敏电压与最大持续工作电压的关系应符合下式：
V1mA=1.64～1.7×Uc
例：常用Uc=385v的SPD，通过上式计算可得V1mA最小值为630v，所以选择标称621＋10%的规格。
國际上一些专业MOV制造商做法是在产品样本里己经给出Uc值，有的甚至直接以最大持续工作电压Uc作为产品的标称。查看目录可发现，Uc值对应的压敏电压V1mA值，往往是某个标称值的＋10%。而不是压敏电阻器标准给出的标称值允许误差为±10%。从测试结果也可看出：Uc=385V的，其V1mA值集中左630～660V之间，而Uc=320V的，其V1mA集中左580～610V之间。这样对MOV制造商提出了制造精度高、分散性相对要小的高要求。又因交、直流电压等级不是特别多，单独排列又可给出与通用型不同的其它指标。
漏电流Ir：在这个指标上，目前各SPD、 MOV生产企业看法不太一致，
有的认为Ir越小越好，有的认为要适当大一些。有趣的是此指标与MOV芯片的另一指标α系数(非线性系数)紧密相关，Ir值越小，小电流区间的α系数越大，最后反映问题实质是：在SPD制作中到底追求什么样的曲线？笔者认为：电源用的SPD主要是防护雷电和强电磁干扰，一般工作在中、大电流区域，没有必要追求小电流特性，相反应追求大电流下的伏安特性， Ir指标应在满足大电流伏安特性下取得。信号SPD中使用的压敏电阻，一般电路结构都使用在第二级上 (第一级用气体放电管)，主要是降低残压，这时应选用α系数大，Ir小的压敏电阻，以提高动作灵敏度。國外产品样本上，标注了Uc的产品，几乎不标Ir参数。该参数最重要的是其稳定性，即在额定通流、最大通流、高温负荷试验后的变化率。变化率太大说明产品寿命曲线变陡，不利于长期可靠运行。建议给定Ir值后，再给出In规定冲击次数后的变化率，这二项参数结合是稳定性的重要指标。
8/20us脉冲电流下的通流容量及寿命曲线：在这个指标上，现行的压敏电阻标准与SPD标准相去甚去远。压敏电阻器标准规定：在额定通流In下冲击2次，最大通流Imax下冲击1次，其压敏电压变化率≤±10%。而有关SPD标准规定(IEC、國标、行业标准)：在额定通流In下至少要正、负脉冲各冲击5次、在最大通流Imax下正负脉冲各冲击1次。最严酷的标准规定：(见GB18802-7.6.4Ⅰ级Ⅱ级的预处理试验)在试验前分别用0.1、0.2、0.5、1、2In的正负各一次脉冲电流測得试品的限制电压，然后在试品上施加最大持续工作电压Uc，再施加额定通流脉冲In15次，每5次为一组，组与组之间间隔为25～30min，次与次之间间隔为50～60s，同时冷却后，还要施加0.1、0.2、0.5、1、2In正负各一次的脉冲电流来測试限制电压的变化。总冲击次数Im为19次，2In为4次。如此严酷的试验标准，符合压敏电阻器标准生产出来的产品是通不过。例如最常用的Uc=385V的SPD，所用基片为34×34mm/621规格，要求8/20us标称通流In为20kA/10次，Imax为40kA/2次，与通用型压敏电阻相比较，φ20mm/621规格，最大通流容量Imax=10kA/1次，In=7.5KA/2次。瞬间电流密度前者为34.6A/mm2 ，后者为31.8A/mm2 ，二者相差10%。而在判定上，前者需经受十二次不损坏，后者仅需三次，二者间的能量要求差别就相当大。所以國际上某些大公司在产品目录中声明，此类产品为高焦尔产品，台湾企业也称高焦尔产品。国内制造商还未见类是称呼。这类产品外观上比通用型厚了很多。
另外，压敏电阻的电流冲击寿命以1/10In电流下、每二分钟一次，冲击100次，以V1mA值是否下降－10%作为寿命终止判断。而SPD的失效是依据脱离器是否脱离来判断的。从某种意义上来说SPD一直要使用到损坏为止。出于对安全运行角度考虑，希望SPD的电流冲击寿命曲线是一条缓变下降曲线，有利于脱离器动作。此时MOV基片即时损坏也呈现高阻击穿损坏。如果曲线是陡变曲线，脱离器来不及动作，MOV基片呈现低阻击穿，极易引起爆炸、短路起火等事故。在这里需要强调的是：冲击后压敏电压上升是一种假象。MOV老化的最终特征是电压下降，Ir增大。许多试验证明；凡是冲击后电压升高的基片，在一定的冲击次数后，曲线发生陡降，极易产生上述的低阻击穿情况。所以应对In电流冲击下的寿命、老化曲线趋势给予极大重视与规定。在制作中上述趋势与配方有极大关系，而与工艺关系不是太大。
对产品高焦尔能量要求还有另一个试验规范。
热稳定性：热稳定性实际上是专门考核SPD安全性的指标，通用型压敏电阻是没有这个规范。它与压敏电阻要求的交、直流荷电率有密切的关系，凡是荷电率高的产品，其热稳定也就相对好一些。基片生产有这么个规律：电压梯度越低的产品，其荷电率越高。GB18802、IEC16143、YD1235、QX10.1-2002等标准对SPD的热稳定性作了严格的要求。规定SPD流过2、5、10、20、40、80、160、320、1000、2500、5000mA十一个工频电流等级时，要达到热平衡或者是热脱离器脫离。实际上这些标准考核的是MOV基片的热容量指标，也就是在上述电流等级中，基片和它所产生的热量能否坚持至热脱扣动作。笔者为此做了许多相关试验，证明用通用型压敏材料制作的基片无法通过上述试验，(见中国电子学会电压敏分会2003论文集、《防雷技术》杂志2003.11期、2004.6期，)只有特定的高焦尔基片，(在配方中改变了添加剂中的一些成份和比例的，同时对工艺作了重大改动)，可以通过上述试验。而这个指标又与SPD劣化后能否安全退出，不引起事故安全运行紧密相关。对于压敏电阻的热容量，目前尚未有指标来描述。建议用下式焦尔定义：
J=T×V×I
式中： V=施加在MOV基片上的工频电压(有效值)，起始点为V1mA值的75%、可分为80%、85%， 90%、95%、1、1.1、1.2八个等级电压。则基本与上述标准中的电流规定可对应起来。同时应根据不同的直径，规定至少要做过四个规定的等级电压。I=在上述交流电压等级下流过压敏电阻电流的最大值(非击穿电流)。T=S 在规定的时间內压敏电阻不允许击穿，允许脱焊，或者允许击穿与脱焊同时发生。但不允许先击穿后脱焊。
这里描诉的焦尔能量，完全以工频电压、电流来衡量，而不是用2ms方波来衡量。不少试验结果表明：能通过2ms方波的基片，不一定能通过热稳定试验。相反能通过热稳定试验的基片，则一定能满足2ms方波要求。
所以在拟定的MOV标准中应有明确的热容量指标和试验方法。它是衡量产品安全的非常重要因素
残压：在GB18802、QX10.1标准中均无明确规定，只在优选值中选取，而在YD1235.1标准中则作了上限值规定(见标准中表5)。而有关压敏电阻标准中也无明确规定，只有等级电流下的限制电压规定。而有些用户片面追求低残压，以期取得好的保护效果。凡生产基片的都知道，低残压的制作必定要提高MOV基片的毫米电压，高的毫米电压会牺牲热稳定性，有关试验表明：当基片毫米电压在190V以上时，热稳定试验20mA工频电流等级都过不去，(相当于85%V1mA值交流电压等级)SPD明显产生击穿不脱离现象。会给长期稳定运行造成隐患。在选用SPD时应考虑被保护电器的绝缘裕度，一般来讲低压电器绝缘值为2.5KV/min。所以YD1235.1表5的值是合理的，也就说目前广泛使用的Uc=385，In=20KA的SPD其残压在2KV以下是合适的(对应MOV基片为34×34/621规格)。所以，好的保护效果一定是综合指标比较优秀产品。但一定不是单一指标优秀的。
平整度与银层厚度及附着力：基片的平整度是为了保证SPD制作工艺要求，也是不允许基片晶体在制造中扭曲变型而产生内应力。银层厚度是滿足在大电流、陡波头冲击下，电流能迅速溢散，同时也能适当提高通流量。附着力好的基片能承受大电流冲击时所产生的电场力，而不产生揭盖现象。这些指标有利于基片的焊接或并联使用。目前所有相关标准都没有。
小结：
1、目前各行各业对SPD的标准很多，但对限压型SPD的核心元件－压敏基片没有专用标准，为了适应发展需要，应尽快建立。
2、SPD专用基片的电性能标准应从以上方面去考虑，把握综合性能。尤其是残压、通流量、漏电流、热容量、寿命曲线这几个矛盾体的综合平衡。
3、制定的标准应贯砌安全可靠为第一的原制，兼顾综合指标。
参考文献：
国标GB18802.1—2002低压配电系统的电涌保护器(SPD)第1部份：性能要求和试验方法
IEC 16143-1：1998《连接低压配电系的电涌保护器 第1部份：性能要求和试验方法》
国标GB/T10193、10194、10195电子设备用压倣电阻器总规范、空白规范、详细规范
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发表于 2006-4-3 17:16:00
发表于 2006-4-4 08:39:00
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