張　欣，行鴻彥，楊天琦，宋晨曦

(1．南京信息工程大學，江蘇省氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京　210044；2．南京信息工程大學，中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇南京　210044；3．南京市氣象局，南京市氣象服務中心，江蘇南京　210009)

0　引言

MOV型電涌保護器(Surge Protection Device，SPD)因其自身特有的泄放電流能力、非線性性質、殘壓限制水平等在現代防雷技術中受到大量研究人員的關注[1-7]。隨著智能電網及信號傳輸系統(tǒng)對電壓保護水平要求的提高，人們在SPD因故障模式影響其正常工作等問題方面做了大量的研究工作[8-13]。除了沖擊老化劣化外，MOV芯片在各種非正常工作狀態(tài)下因熱量累積過快、散熱能力不足致使其溫度過高而引起的熱熔穿和熱劣化同樣會影響其對電流的泄放[14]，因此，對于MOV芯片散熱能力與熱量累積之間相互關系的研究也十分重要。

文獻[15]提出MOV芯片因制造工藝的差異導致局部電位梯度過高、電流密度過大、局部溫度升高，不均勻熱應力導致其局部過熱熔穿或炸裂。除此以外，MOV的熱熔穿熱劣化過程與芯片在交直流下對熱量累積的吸收能力，以及芯片的散熱能力等都有直接關系[16]。

目前，MOV芯片對熱量吸收能力的研究多基于實驗驗證，結果表明，MOV對熱量的耐受能力與MOV電壓梯度、低溫焊錫連接點位置、通流容量、能量耐受密度等有關[17]，一般直流電比交流電造成的發(fā)熱量大10%左右[18]。

對于MOV芯片散熱能力的研究，同樣基于對熱量累積的試驗分析上。通過對比不同參數芯片熱量累積耐受能力的大小，間接得知MOV散熱能力與其制造工藝及片徑有直接關系[15-16]。楊天琦等[17]在分析MOV交直流電熱量累積對比中，提到可以將直流電和交流電熱量累積統(tǒng)一到“熱阻”概念上，解釋為：“引起單位溫度變化所需的電功率”。這一概念與傳統(tǒng)試驗方法和實驗條件無關，對于反映熱量累積比“電流有效值”更具體直接。其他研究學者又提出了根據SPD熱阻值，對其熱穩(wěn)定性進行判別的方法。研究結果表明，熱阻的引入可直接表征其散熱量的大小[10]；并指出，熱阻為熱量轉移時受到的阻力大小，其值與芯片厚度L和表面積S有關，但并未給出熱阻的數學模型。

這些對SPD熱累積的研究對實驗條件依賴性較強，容易受到試驗設備、環(huán)境及方法等干擾?；跓嶙韪拍睿Y合MOV熱熔穿試驗結果，文中提出能夠表征MOV瞬態(tài)散熱能力大小的瞬態(tài)熱阻抗模型，在此基礎上，分析不同電流對MOV熱阻的影響，實現定量表征MOV散熱能力。

1　MOV瞬態(tài)熱阻抗模型的建立

當熱量在物體內部以熱傳導的方式傳遞時，將反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量定義為熱阻[19]，即在熱平衡條件下，兩確定的點(或區(qū)域)溫度差與產生此溫度差的耗散功率的比值，單位為℃/W．其表達式為：

(1)

式(1)假設耗散功率產生的全部熱量流經熱流路徑。對于MOV芯片而言，發(fā)熱是因為流經其內部的電流產生的熱量累積效果，而熱量消散快慢則與熱量在流經熱流路徑時遇到的阻力大小有關。因此，熱阻能夠反映芯片與空氣間傳熱能力的大小，即熱阻大小可直接反映MOV芯片散熱能力的大小。當MOV芯片在熱量消散過程中，遇熱流路徑阻力大即熱阻大時，其熱量消散慢，散熱能力差；反之，當熱流路徑阻力小時，熱量消散快，其熱阻小，散熱能力好。

熱阻是半導體器件的重要參數，文獻[18]將熱阻應用在SPD熱穩(wěn)定方面，用熱阻代替電流有效值，定義熱阻為產生單位溫度變化所需消耗的電功率。即：

(2)

根據式(2)，試驗需測得在額定功率Pa下，SPD熱穩(wěn)定溫度Ta，以及約2倍額定功率Pb下熱穩(wěn)定溫度Tb，即可得到SPD的熱阻值R。此模型反映了SPD熱平衡狀態(tài)下溫升與電功率的關系，對于改進SPD熱穩(wěn)定熱脫扣試驗具有重要意義。

MOV芯片在交、直流下溫升的變化是反映芯片熱量累積和散熱能力綜合效果的參量，溫升的變化正比于熱量的凈剩值的變化，即：Δt∝Q累積-Q散熱。而溫度變化與時間呈非線性關系[16]，熱量累積Q累積與通過MOV芯片的電流大小，通電時間呈線性關系，這就意味著，MOV芯片的散熱量Q散熱是隨著通電時間變化的量。

為反映MOV芯片在非熱平衡狀態(tài)下的散熱能力，引入瞬態(tài)熱阻抗Z(t)，定義為：在某一時間間隔末，結溫Tj和基準點溫度Tr之差的變化量，與引起該溫差變化的同一時間間隔初始時階躍變化耗散功率P之比，即：

(3)

瞬態(tài)熱阻抗是一個非穩(wěn)態(tài)的熱阻，是芯片在通電加熱及斷電冷卻的瞬間或芯片未達到熱平衡狀態(tài)前與時間、溫度相關的瞬態(tài)熱阻值。其最大值與穩(wěn)態(tài)熱阻值相等。且發(fā)生在芯片達到熱平衡時。瞬態(tài)熱阻抗是MOV芯片的一個特性量[19]，其單位為℃/W．

在MOV芯片熱熔穿實驗中，對芯片通電時間為連續(xù)時間，設某時刻t1和t2間隔Δt時間，t1時刻芯片溫度為T1，即：Tj(0)=T1，t2時刻芯片溫度為T2，即；Tj(t)=T2，當Δt∝0時，即為瞬時，基準點溫度變化可忽略，所以：Tr(0)=Tr(t)，帶入式(3)得：

(4)

(5)

由式(3)、式(4)、式(5)可知，瞬態(tài)熱阻抗是熱阻的一種，定義MOV的瞬態(tài)熱阻抗為Rt，則有：

(6)

式(6)即為適用于MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗模型。分析該模型知，MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗與3個參數有關，是一個變化量。由于MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗可表征芯片非平衡狀態(tài)下散熱能力，所以散熱能力也是一個變化量。

2　MOV熱熔穿試驗

為研究散熱能力與哪些因素有關，設計MOV恒定電流熱熔穿試驗，由于芯片發(fā)熱量與通過的電流正相關，所以采用恒流試驗；直流電流產生的熱量累積比交流電流產生的大很多，熔穿時間較短，瞬態(tài)熱阻抗變化過快，不易捕捉到熱熔穿過程中的變化，并且SPD工作狀態(tài)環(huán)境多為交流，因此，此次試驗采用恒定交流電流試驗。

2．1試驗方法

試驗采用同一廠家片徑分別為25 mm和32 mm的2種MOV芯片各9片作為試驗樣品，按照片徑大小分為A組和B組，再將每組試樣均分為3小組，即：A1、A2、A3和B1、B2、B3組。試驗前測量各試樣的靜態(tài)參數，其中，壓敏電壓U1mA、漏電流IL和非線性系數α采用CJ1001型壓敏電壓直流參數儀測得，標稱放電電流In和最大放電電流Imax由廠家標示。靜態(tài)參數如表1。

表1　試樣靜態(tài)參數

試驗時環(huán)境溫度為25 ℃，溫度箱內初始溫度為29 ℃，采用CJ1716型交流SPD熱穩(wěn)定試驗箱試驗。試驗將6組試樣通過不同的恒定交流電流，分別為A1、B1組通過40 mA交流電，A2、B2組通過50 mA交流電，A3、B3組通過60 mA交流電，與試驗箱相連接的計算機利用軟件方式實時顯示通過試樣的電流值、試樣兩端的電壓幅值以及試樣表面溫度值。

試驗直至試樣溫度達到最高點并開始下降時停止通電，此時試樣兩端的電壓值已跌落60%以上，且表面有明顯變形或燒壞痕跡，認為該試樣已發(fā)生熱熔穿現象。試驗過程中，每隔相同的時間間隔記錄一次電壓和溫度值，直至試樣熱熔穿為止。待試樣冷卻到室溫后，測量試樣靜態(tài)參數，發(fā)現每一試樣壓敏電壓均跌落10%以上，漏電流均大于20 μA，證明以上對試樣已發(fā)生熱熔穿的推斷是合理的。

2．2試驗數據分析

將測得的每一小組3片試樣試驗數據取平均值，分別得到A、B組的試樣各通過恒定40 mA、50 mA和60 mA交流時，MOV試樣溫度及電壓隨時間變化的數據。其中，相同通電電流，A組試樣熱熔穿時間比B組長。并且，同一組中通過電流越大，熱熔穿越快。如表2。

表2　試樣通過恒定交流電流熱熔穿時間

同樣，分析試驗數據得到MOV芯片溫度上升的速率跟片徑大小和通過電流值有關，如圖1所示。圖中3條曲線分別是同樣小片徑的MOV試樣，在通以40 mA、50 mA和60 mA的恒定交流電流時溫度變化曲線，可以看出：片徑相同的試樣，通以不同電流，溫度上升速率與通電電流大小呈正比關系。其中通以40 mA電流的試樣，在350～420 s時間范圍內溫度達到最大值并且試樣處于熱平衡狀態(tài)，之后發(fā)生熱熔穿，溫度下降；而通以50 mA和60 mA電流的試樣，溫度曲線上升明顯比40 mA快，但溫度達到最大值后沒有熱平衡狀態(tài)，而直接熔穿。對B組試樣分析同樣支持該結論。

圖1　A組MOV通過不同電流時溫度隨時間變化

由此可知，MOV芯片通以大電流時會導致芯片溫度上升過快，研究表明，ZnO晶粒組成的雙肖特基勢壘與溫度成反比關系[17]，故溫度迅速升高會使勢壘高度下降過快，芯片急速熱劣化，以至未能達到穩(wěn)定勢壘高度就已發(fā)生熔穿，晶界也隨之消失[20-21]。

相同電流下，不同片徑的試樣，溫度變化也不相同，如圖2、3所示。圖2中，試樣通以相同的40 mA電流，A組試樣溫度上升速率大于B組。通電電流相同，即熱量的累積量相同，而溫度上升快反映熱量累積量與散熱量綜合后的凈剩量大，由此可以得出，小片徑試樣的散熱量明顯比大片徑小，說明散熱量與MOV芯片片徑呈正比關系。圖3是A2、B2組試樣通過50 mA電流時溫度的對比圖，同樣證明以上結論。

圖2　A1、B1組MOV通過40 mA電流時溫度隨時間變化

圖3　A2、B2組MOV通過50 mA電流時溫度隨時間變化曲線

3　基于瞬態(tài)熱阻抗模型的MOV散熱能力分析

利用建立的適用于MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗模型，可計算MOV芯片非平衡狀態(tài)下瞬時熱阻抗值，分析得到各參量對MOV芯片散熱能力的影響。

3．1片徑對散熱能力的影響

此前研究者多認為，MOV芯片散熱能力大小可直接根據片徑大小判別[15-16]，但均未能用具體的參數說明不同片徑的芯片散熱量隨時間和溫度的變化關系。定量研究片徑不同MOV散熱能力，可利用式(6)進行計算。

在瞬態(tài)熱阻抗模型中，溫差是影響熱阻值大小的關鍵因素，故要求計算MOV瞬態(tài)熱阻抗值時，應按照相同的時間間隔截取溫度及功率值。圖4和圖5 中A、B組的MOV試樣分別通過大小相等的恒定電流，以保證在隨時間的變化過程中，熱量的累積量是大小相等恒定不變的。相同溫度下，芯片勢壘高度相同，非線性相當，其瞬態(tài)熱阻抗與溫度的變化關系即能代表試樣瞬時散熱能力的變化過程。圖中，A、B組MOV試樣的瞬態(tài)熱阻抗值并非一恒定值，而是隨著溫度的升高呈遞減下降，相同的溫度值下，A組試樣熱阻值大于B組試樣，說明MOV芯片的散熱能力隨溫度的升高而增大，并且相同溫度下，小片徑芯片的散熱能力小于大片徑。

圖4　A1、B1組MOV通過40 mA電流時瞬態(tài)熱阻抗隨溫度變化曲線

圖5　A2、B2組MOV通過50 mA電流時瞬態(tài)熱阻抗隨溫度變化曲線

在熱熔穿先期階段，因散熱量增大值不足以抵消熱量累積的遞增量，Q累積>Q散熱，Δt>0，溫度升高；當熱阻值增大至散熱量等于熱量累積量時，Q累積=Q散熱，Δt=0，溫度不再上升，試樣進入熱平衡狀態(tài)，如圖2、圖3中B組試樣所示。通電電流對試樣繼續(xù)保持熱劣化作用，持續(xù)高溫將導致晶界層耗散，散熱量加大，Q累積>Q散熱，Δt>0，溫度升高；當熱阻值增大至散熱量等于熱量累積量時，Q累積=Q散熱，Δt=0，溫度不再上升，試樣進入熱平衡狀態(tài)，如圖2、圖3中B組試樣所示。Q累積

以上結論同樣證明此前研究者得出的MOV芯片片徑大小正相關其散熱能力大小的結論，由此驗證了所建立的適用于MOV的瞬態(tài)熱阻抗模型的正確性。

MOV芯片通過大小相同的恒定電流時瞬態(tài)熱阻抗是隨時間變化的值，如圖6、圖7所示。A組試樣熱阻值下降速率大于B組，可知試樣溫度升高較B組快，其散熱能力低于B組。由此可知，片徑不同的MOV芯片，熱阻值下降速率與熱熔穿時間呈反比，間接證明MOV芯片片徑與熱熔穿時間成正比。

圖6　A1、B1組MOV通過40 mA電流時瞬態(tài)熱阻抗變化曲線

圖7　A2、B2組MOV通過50 mA電流時瞬態(tài)熱阻抗變化曲線

3．2熱熔穿電流對散熱能力的影響

針對通電電流值不同引起的MOV芯片熱量累積，此前多數研究者做了大量試驗分析[14，16-18]，但均未提及在不同通電電流值下，熱量消散對溫升的影響?；谒矐B(tài)熱阻抗模型，分析相同片徑MOV試樣通過不同電流值時瞬態(tài)熱阻抗值隨溫度的變化關系，以A組試樣為例，得到關系曲線如圖8所示。

圖8　A組MOV通過不同電流時瞬態(tài)熱阻抗隨溫度變化曲線

圖8中，瞬態(tài)熱阻抗值隨溫度上升呈遞減下降，溫度在85 ℃左右之前，瞬態(tài)熱阻抗值與通過電流值呈反比關系，85 ℃時，通以60 mA電流試樣的瞬態(tài)熱阻抗值發(fā)生大幅躍變，由0.54 ℃/W躍變至0.59 ℃/W，大于通電40 mA和50 mA試樣的熱阻值。而通以50 mA電流試樣的瞬態(tài)熱阻抗值在溫度達到158 ℃左右也發(fā)生相同的躍變現象，熱阻值由0.29 ℃/W躍變至0.31 ℃/W，之后相同溫度下熱阻值處于通電40 mA試樣和通電60 mA試樣之間。直至溫度達到224 ℃，通以40 mA電流試樣的瞬態(tài)熱阻抗值發(fā)生躍變，大于通電50 mA和60 mA試樣的熱阻值。由此可見，相同片徑的MOV芯片，通以不同電流，散熱能力在達到某一“躍變溫度”時會由原先的隨溫度上升而升高躍變?yōu)殡S溫度上升而降低，致使溫度較低時試樣散熱能力與通電電流值呈反比關系，躍變?yōu)闇囟壬吆蟮恼汝P系。且不同的通電電流下，該“躍變溫度”不同。B組試樣亦如此。

由此可知，相同片徑MOV芯片通過不同大小電流時，芯片的瞬態(tài)熱阻抗值經歷下降-增大-下降的過程，芯片散熱能力并非單向變化，且通過電流越大，瞬態(tài)熱阻抗躍變溫度越低。

圖9是A組試樣通過不同電流值時熱阻值隨時間變化的曲線。圖中，熱阻值下降的速率呈正比關系，以此證明片徑相同的MOV芯片，熱熔穿時間與電流值呈反比。

圖9　A組MOV通過不同電流時瞬態(tài)熱阻抗變化

4　結論

(1)在熱阻概念的基礎上，建立適用于表征MOV散熱能力的瞬態(tài)熱阻值模型。

(2)利用此模型，研究MOV芯片片徑和熱熔穿電流值對其散熱能力的影響，定量計算了MOV散熱能力。

(3)試驗結果表明MOV芯片熱阻值為一隨時間變化的量，即熱熔穿過程中，MOV芯片的散熱能力是隨時間延長其勢壘高度降低同時散熱能力增強。

(4)利用瞬態(tài)熱阻抗模型計算得到，通過相同電流值，溫度相同時，片徑與瞬態(tài)熱阻抗呈反比，即相同熱熔穿電流作用下，同溫度，MOV芯片片徑越大，瞬時散熱能力越好。

(5)片徑相同的MOV芯片，熱熔穿初期，瞬態(tài)熱阻抗與通過電流值呈反比，隨著溫度升高，熱熔穿過程中存在一個“躍變溫度”，在此溫度之后瞬態(tài)熱阻抗值與通電電流躍變?yōu)槌收?，且“躍變溫度”值與通電電流大小呈反比。

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行鴻彥(1962-)，教授，博士生導師，主要從事智能化氣象儀器設計與研究、計量技術與標準，微弱信號檢測與處理，雷電防護技術與儀器等方面的研究。

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