防雷工程设计培训 第三章电涌保护器器件

1、第三章 电涌保护器中的电子元器件原理分析氧化锌压敏电阻器 由于ZnO半导体陶瓷具有许多独特的物理性能,并且还能有制造工艺简单,成本低廉的优点,因此它的应用范围相当广泛。七十年代以来，在ZnO半导体陶瓷的应用中，以压敏电阻最为突出。利用以ZnO为基的半导体陶瓷可以制成具有高非线性I-V特性，大电流和高能量承受能力的压敏电阻器，这种压敏元件的极优异的电性能是传统的SiC压敏电阻器所难于比拟的。 (1). ZnO压敏电阻器生产工艺232323223(100)(2)6ZnOBi OSb OCo OMnOCr O注 ： 烧 结 温 度 为 1 3 5 0 ， 保 温 1 小 时 。图 3 - 2 - 1

2、 4 Z n O 压 敏 电 阻 器 的 生 产 工 艺 过 程入 库原 材 料 处 理烘 干标 志组 装测 试涂 银烧 结成 形造 粒（ 振 磨 ） 湿预 烧烘 干过 筛（ 振 磨 ） 湿配 料称 重 (2)伏安特性曲线2432- 2- 6420- 4- 8- 1 012外加电压 V（V/cm）电 流 密 度 J （ A / c m ）预 击 穿击 穿回 升1 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 0 （3）氧化锌压敏电阻器的电参数 压敏电阻器是一种非线性电阻器，因此，它的电参数都是由非线性I-V特性引出的。这些电参数主要是 非线性系数 参考电压 通流容量、 漏电流 电

3、压温度系数 随着温度的上升，压敏电庄卞降、电压温度系数就是衡量这个温度特性的参数，其定义是：在规定的温度范围内，温度每变化1时，零功率条件下测得的压敏电压的相对变化率。电压温度系数可用下式表示： 211211()VVVvV ttVt （4）氧化锌压敏电阻的应用 a.分析保护模式 b. 参考电压的选取VVV设备设备VVVV C.能量吸收问题 （1）多片并联 在大电流冲击过程中，当ZnO处于大电流工作区时，由于其自身晶界势垒导通，从而会呈现出较低的电阻值，表现为纯电阻的特性。 一方面提供了电流泄放入地的低阻通道。 另一方面，由于自身电阻减小到欧姆量级，在大的冲击电流作用下，ZnO压敏电阻将吸收较大

4、的冲击能量并转换成热能，如果ZnO压敏电阻的能量耐受能力不足，或者出现局部热点（hot pot），器件有可能在之后的大电流冲击作用下热崩溃，从而导致保护器件的失效甚至系统起火故障 在接受电流冲击时，ZnO压敏电阻吸收的能量可以表示为( ) ( )ToEU t I t dt 2片并联的情况（a）A组吸收能量 （b）B组吸收能量（c）C组吸收能量 为了更全面地衡量压敏电阻的能量吸收特性，下面计算各组ZnO压敏电阻吸收能量同冲击总能量的比值，即能量吸收比。 （a）A组能量吸收比 （b）B组能量吸收比 （c）C组能量吸收比 能量配合问题两个ZnO压敏电阻级间导线为5m能量吸收情况 5.3H磁芯退耦电感

5、ZnO压敏电阻级间用10m的导线连接 2 气体放电管 气体放电管是一种间隙型的防雷保护元件，它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。 由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频信号线路的雷电防护有明显的优势。 放电管保护特性的主要不足之处在于其放电时延较大，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制。 在电源系统的雷电防护中存在续流问题。 （1）伏安特性电流电 压2 0 01 0 0EFDC1 K A1 0 0 A1 0 A1 A1 0 0 m A1 0 m A1 m ABA0 （2）技术参数a直流放电电压在上升陡度低于100Vs的电压作用下，放电管开始放电的平均

6、电压值称为其直流放电电压。 b冲击放电电压在具有规定上升陡度的暂态电压脉冲作用下，放电管开始放电的电压值称为其冲击放电电压。一些制造厂通常是给出在上升陡度为lkVus的冲击放电电压值，实际上，出于一般应用的考虑，还应给出放电管在100Vs、500Vs、lkVs、5kVs和l0kVs等不同上升陡度下的冲击放电电压，以尽量包括在各种保护应用环境中可能遇到的暂态过电压上升陡度范围。c工频耐受电流放电管通过工频电流5次，使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流称为其工频耐受电流。 d冲击耐受电流将放电管通过规定波形和规定次数的脉冲电流，使其直流放电电压和绝缘电阻不会发生明显变化的最大值电流峰

7、值称为管子的冲击耐受电流。 e绝缘电阻和极间电容 放电管的绝缘电阻很大，制造厂给出的该参数值一般为绝缘电阻的初始值，约为数千兆欧。放电管的极间寄生电容很小，两极放电管的极间电容一般在1pP5pF范围。 （3）气体放电管的应用UA GtUA 1UA 2UB 2UB 1tUB Gt1t2t3t4ooot4t2UA BtUA 1UA 2UB 1UBt1t3GG1G2传 输 线 路AB被保护电子系统 （3）半导体过电压抑制器件a.齐纳二极管与雪崩二极管 齐纳二极管的额定击穿电压(规定为lmA时的击穿电压)一般在2.9V-4.7V范围 。 雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V-200V范围，一般用于多级

8、保护电路的最末级，保护那些比较脆弱的电子器件。 正向区击穿区反向电流IR反 向 区反 向 电 压 URUZ正 向 - +反 向 - + （4）瞬态（暂态）抑制二极管 瞬态电压抑制器(Transient Voltage SuppressorTVS。它是一种高效能的保护器件。当TVS的两极受到反向瞬态高能量冲击时, 它能以10-12s量级的速度, 将其两极间的高阻抗变为低阻抗, 吸收高达数千瓦的浪涌功率, 使两极间的电压箝位于一个预定值, 有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲电压的冲击。 它具有响应速度快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、体积小等优点, 从而有效地保护仪器设备和其他设备不被损坏, 工作不受干扰, 目前已广泛用于家用电器、电子仪表、通信设备、电源、计算机系统等各个领域的电力电子设备中。 分布电容较大。 （5）半导体放电管 若A为负电压,K为正电压，则J1(P1N1)结、J3(P2N2)结反偏，J2(P1N2)结正偏，由于掺杂的