防雷工程設計培訓 第三章電涌保護器器件

1、第三章 電涌保護器中的電子元器件原理分析氧化鋅壓敏電阻器 由于ZnO半導體陶瓷具有許多獨特的物理性能,并且還能有制造工藝簡單,成本低廉的優(yōu)點,因此它的應用范圍相當廣泛。七十年代以來，在ZnO半導體陶瓷的應用中，以壓敏電阻最為突出。利用以ZnO為基的半導體陶瓷可以制成具有高非線性I-V特性，大電流和高能量承受能力的壓敏電阻器，這種壓敏元件的極優(yōu)異的電性能是傳統(tǒng)的SiC壓敏電阻器所難于比擬的。 (1). ZnO壓敏電阻器生產(chǎn)工藝232323223(100)(2)6ZnOBi OSb OCo OMnOCr O注 ： 燒 結 溫 度 為 1 3 5 0 ， 保 溫 1 小 時 。圖 3 - 2 - 1

2、 4 Z n O 壓 敏 電 阻 器 的 生 產(chǎn) 工 藝 過 程入 庫原 材 料 處 理烘 干標 志組 裝測 試涂 銀燒 結成 形造 粒（ 振 磨 ） 濕預 燒烘 干過 篩（ 振 磨 ） 濕配 料稱 重 (2)伏安特性曲線2432- 2- 6420- 4- 8- 1 012外加電壓 V（V/cm）電 流 密 度 J （ A / c m ）預 擊 穿擊 穿回 升1 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 0 （3）氧化鋅壓敏電阻器的電參數(shù) 壓敏電阻器是一種非線性電阻器，因此，它的電參數(shù)都是由非線性I-V特性引出的。這些電參數(shù)主要是 非線性系數(shù) 參考電壓 通流容量、 漏電流 電

3、壓溫度系數(shù) 隨著溫度的上升，壓敏電莊卞降、電壓溫度系數(shù)就是衡量這個溫度特性的參數(shù)，其定義是：在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1時，零功率條件下測得的壓敏電壓的相對變化率。電壓溫度系數(shù)可用下式表示： 211211()VVVvV ttVt （4）氧化鋅壓敏電阻的應用 a.分析保護模式 b. 參考電壓的選取VVV設備設備VVVV C.能量吸收問題 （1）多片并聯(lián) 在大電流沖擊過程中，當ZnO處于大電流工作區(qū)時，由于其自身晶界勢壘導通，從而會呈現(xiàn)出較低的電阻值，表現(xiàn)為純電阻的特性。 一方面提供了電流泄放入地的低阻通道。 另一方面，由于自身電阻減小到歐姆量級，在大的沖擊電流作用下，ZnO壓敏電阻將吸收較大

4、的沖擊能量并轉(zhuǎn)換成熱能，如果ZnO壓敏電阻的能量耐受能力不足，或者出現(xiàn)局部熱點（hot pot），器件有可能在之后的大電流沖擊作用下熱崩潰，從而導致保護器件的失效甚至系統(tǒng)起火故障 在接受電流沖擊時，ZnO壓敏電阻吸收的能量可以表示為( ) ( )ToEU t I t dt 2片并聯(lián)的情況（a）A組吸收能量 （b）B組吸收能量（c）C組吸收能量 為了更全面地衡量壓敏電阻的能量吸收特性，下面計算各組ZnO壓敏電阻吸收能量同沖擊總能量的比值，即能量吸收比。 （a）A組能量吸收比 （b）B組能量吸收比 （c）C組能量吸收比 能量配合問題兩個ZnO壓敏電阻級間導線為5m能量吸收情況 5.3H磁芯退耦電感

5、ZnO壓敏電阻級間用10m的導線連接 2 氣體放電管 氣體放電管是一種間隙型的防雷保護元件，它在通信系統(tǒng)的防雷保護中已獲得了廣泛應用。 由于放電管的極間絕緣電阻很大，寄生電容很小，對高頻信號線路的雷電防護有明顯的優(yōu)勢。 放電管保護特性的主要不足之處在于其放電時延較大，動作靈敏度不夠理想，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效地抑制。 在電源系統(tǒng)的雷電防護中存在續(xù)流問題。 （1）伏安特性電流電 壓2 0 01 0 0EFDC1 K A1 0 0 A1 0 A1 A1 0 0 m A1 0 m A1 m ABA0 （2）技術參數(shù)a直流放電電壓在上升陡度低于100Vs的電壓作用下，放電管開始放電的平均

6、電壓值稱為其直流放電電壓。 b沖擊放電電壓在具有規(guī)定上升陡度的暫態(tài)電壓脈沖作用下，放電管開始放電的電壓值稱為其沖擊放電電壓。一些制造廠通常是給出在上升陡度為lkVus的沖擊放電電壓值，實際上，出于一般應用的考慮，還應給出放電管在100Vs、500Vs、lkVs、5kVs和l0kVs等不同上升陡度下的沖擊放電電壓，以盡量包括在各種保護應用環(huán)境中可能遇到的暫態(tài)過電壓上升陡度范圍。c工頻耐受電流放電管通過工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大電流稱為其工頻耐受電流。 d沖擊耐受電流將放電管通過規(guī)定波形和規(guī)定次數(shù)的脈沖電流，使其直流放電電壓和絕緣電阻不會發(fā)生明顯變化的最大值電流峰

7、值稱為管子的沖擊耐受電流。 e絕緣電阻和極間電容 放電管的絕緣電阻很大，制造廠給出的該參數(shù)值一般為絕緣電阻的初始值，約為數(shù)千兆歐。放電管的極間寄生電容很小，兩極放電管的極間電容一般在1pP5pF范圍。 （3）氣體放電管的應用UA GtUA 1UA 2UB 2UB 1tUB Gt1t2t3t4ooot4t2UA BtUA 1UA 2UB 1UBt1t3GG1G2傳 輸 線 路AB被保護電子系統(tǒng) （3）半導體過電壓抑制器件a.齊納二極管與雪崩二極管 齊納二極管的額定擊穿電壓(規(guī)定為lmA時的擊穿電壓)一般在2.9V-4.7V范圍 。 雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V-200V范圍，一般用于多級

8、保護電路的最末級，保護那些比較脆弱的電子器件。 正向區(qū)擊穿區(qū)反向電流IR反 向 區(qū)反 向 電 壓 URUZ正 向 - +反 向 - + （4）瞬態(tài)（暫態(tài)）抑制二極管 瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage SuppressorTVS。它是一種高效能的保護器件。當TVS的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時, 它能以10-12s量級的速度, 將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩? 吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率, 使兩極間的電壓箝位于一個預定值, 有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖電壓的沖擊。 它具有響應速度快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、體積小等優(yōu)點, 從而有效地保護儀器設備和其他設備不被損壞, 工作不受干擾, 目前已廣泛用于家用電器、電子儀表、通信設備、電源、計算機系統(tǒng)等各個領域的電力電子設備中。 分布電容較大。 （5）半導體放電管 若A為負電壓,K為正電壓，則J1(P1N1)結、J3(P2N2)結反偏，J2(P1N2)結正偏，由于摻雜的