提高限壓型電源SPD脫離器的動作靈敏度

唐 斌 鄭捷曾

唐 斌:深圳科安達電子科技股份有限公司 工程師 518055廣東深圳

鄭捷曾:深圳科安達電子科技股份有限公司 工程師 518055廣東深圳

限壓型電源SPD被廣泛應用于各種電子、電器設備的雷電防護。從使用安全考慮，電源SPD中設有脫離器，可以防止或減少各類事故。作為限壓型電源SPD核心部件的氧化鋅壓敏電阻，因其失效時多呈短路狀態(tài)，因此，安裝在電源線上的限壓型電源SPD在失效前應及時脫離被保護電路，避免工頻短路電流通過SPD引發(fā)事故。由此可見，SPD內(nèi)脫離器動作時間 (靈敏度)是一個重要的指標，而如何提高限壓型電源SPD的脫離器動作靈敏度是廣大SPD制造商所期望解決的問題。

1 限壓型電源SPD失效原因分析

限壓型電源SPD失效類型，大體可分為部件老化失效和遭遇暫態(tài)過電壓破壞2種。

1．部件老化失效，是指SPD的壓敏電阻因使用時間過長、受到超負荷的雷電流沖擊或者本身存在缺陷，造成壓敏電阻的漏電流逐漸增加且集中流入薄弱點，將薄弱點材料融化后形成短路孔，并隨著流入短路孔的工頻電流不斷增大，最終形成熱崩潰而擊穿損壞。由于老化是一個漸進的過程，流過壓敏電阻的電流是逐步增加的，在壓敏電阻內(nèi)有熱的積累和傳遞過程而出現(xiàn)熱平衡，只要脫離器的熱熔接點與壓敏電阻有良好的接觸，就有足夠的時間讓脫離器動作，這可以通過氧化鋅壓敏基片的小電流試驗得以證實。

以34S621K的壓敏電阻作為試驗的主體，將壓敏電阻的裸片焊接好電極，采用垂直懸空的方式連接在熱穩(wěn)定試驗臺上，然后進行小電流試驗。圖1是采用80 mA進行熱穩(wěn)定試驗的時間-溫度曲線。

圖1 80mA電流試驗時間－溫度曲線

根據(jù)圖1分析可以看出:當在壓敏電阻兩端加載恒定的80 mA電流時，其整體溫度基本上是隨時間變化呈線性均勻上升，經(jīng)過54 s的時間，整個壓敏電阻的溫度達到316.0℃，這時，芯片上焊接金屬電極片的焊錫已經(jīng)完全熔化，壓敏芯片與金屬電極片徹底脫離。從該試驗來看，在壓敏電阻加載小電流的初始階段，壓敏電阻基本不會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，并且基片溫度能夠隨時間的延長而逐漸升高，如果在壓敏電阻上串接熱敏脫離器，并設置熱熔脫離溫度在150℃ ～180℃之間，這樣壓敏電阻在被熱擊穿前就有足夠的時間脫離電路。

2．暫態(tài)過電壓破壞，是指當電網(wǎng)出現(xiàn)故障或電源電壓異常波動時，有較強的、持續(xù)時間較長的過電壓施加在SPD上，使流經(jīng)SPD的工頻電流瞬間增大，造成壓敏電阻瞬間擊穿、崩潰，導致更大的工頻電流涌入SPD，出現(xiàn)局部高熱、甚至起弧的現(xiàn)象。這種情況可以通過壓敏電阻的大電流試驗進行分析。

同樣采用34S621K的壓敏電阻作為試驗的主體，將壓敏電阻的裸片焊接好電極，采用垂直懸空的方式連接在熱穩(wěn)定試驗臺上，然后施加10 A的工頻電流，壓敏電阻基片6 s擊穿后，延長10 s斷電。通過試驗發(fā)現(xiàn)，壓敏電阻芯片在大電流的作用下，從溫升到擊穿的時間非常短暫，且瞬間出現(xiàn)局部高熱或起弧，此時熱敏脫離器可能因熱熔接點溫度不夠而未動作。

為避免或減少這種情況的發(fā)生，目前采取的辦法是在限壓型電源SPD前串接32～120 A斷路器或熔斷器，即在斷路器或熔斷器動作前，可能存在32～120 A左右的工頻電流涌入SPD。為了安全，此時就需要設置高靈敏度的脫離器，使SPD能及時脫離線路。

2 限壓型電源SPD脫離器設計原理

為了進一步提高脫離器的靈敏度，首先要分析壓敏電阻的內(nèi)部結構。如圖2所示，壓敏電阻由氧化鋅晶粒形成的芯片和2個電極及其引線組成，其中每個氧化鋅晶粒都相當于一個可以雙向?qū)ǖ陌雽w器件。當SPD導通后，電流從一個電極均勻地流經(jīng)每個氧化鋅晶粒到達另一個電極，此時每個氧化鋅晶粒都會產(chǎn)生熱量，使壓敏電阻溫度升高，電流越大，升溫越快。利用壓敏電阻導通后自身發(fā)熱的原理，就可在SPD中設置熱敏脫離器，讓脫離器的熱敏接點與壓敏電阻牢靠接觸，用低溫金屬材料進行電氣連通，將低溫金屬材料的融化溫度設置在合理范圍，當壓敏電阻的溫升達到設定點時，動作脫離器，使SPD脫離被保護線路。

3 脫離器設置位置對動作靈敏度的影響

限壓型電源SPD導通后，其壓敏電阻中間部位的溫度高于四周的溫度，將脫離器設置在中間部位的靈敏度明顯高于設置在周邊，可以通過如下試驗來證實。

圖2 壓敏電阻內(nèi)部結構示意圖

為了保證壓敏電阻在脫離器能夠動作前不被擊穿損壞，施加在壓敏電阻上的試驗電流為320 mA。將一組脫離器設置在壓敏電阻的中間部位，另一組設置在邊緣部位，每組都分別用5個壓敏電阻，分別逐一施加320 mA電流，試驗時觀察記錄下脫離裝置的動作時間，如表1所示。

表1 脫離器設置在壓敏電阻不同部位動作反應時間記錄表 s

從表1可以看出，脫離器設置在中間部位的動作反應時間明顯小于設置在邊緣部位。這是由于壓敏電阻導通后產(chǎn)生的熱量在中間部位不易向外界散發(fā)，導致中間部位的溫度高于其他部位，脫離器的熱敏熔接點能快速吸收到熱量而融化，從而更快地發(fā)生動作。

4 提高SPD脫離器靈敏度的一種方案

根據(jù)上述試驗，可設計一種脫離器安裝在壓敏電阻內(nèi)部中間位置，達到提高靈敏度的目的。

如圖3所示，將2個壓敏電阻芯片疊層設置，一個電極設置在中間，并在其中一個壓敏電阻芯片上中間部位開孔，將該電極引出;用一金屬連接片將兩壓敏電阻芯片的另一面連接起來，形成另一個電極，熱脫離裝置的熱熔接點設置在從中間開孔引出的電極上。壓敏電阻導通后，內(nèi)部的熱量由中間向外圍傳遞散發(fā)，中間部位的熱量積累最大、溫度最高。當電源SPD在使用中遭受過電壓、大電流導通時，由于脫離器的熱熔接點能在溫度最高部位吸收到熱量，因此具有最快的動作時間。由此可見，設置在中間位置上的脫離器動作靈敏度會大大提高，使SPD能及時脫離保護電路，進一步提高安全性。

圖3 熱脫離裝置設置在壓敏電阻內(nèi)部示意圖

5 結束語

提高限壓型電源SPD在使用中的安全性能有多種方法，提高其串聯(lián)脫離器動作靈敏度是一種解決措施。隨著科學技術的進步，電源SPD的安全性能將不斷提高。本文提出的觀點和方法，希望能起到拋磚引玉的作用。

［1］ 劉細華．電源SPD的熱穩(wěn)定試驗在實際運行中的意義［J］ ．半導體器件應用，2010(3)．