压敏电阻及其在过压保护中的应用

第29卷第期中国电机工程学报Vol.29No.00.20092009年月ProceedingsoftheCSEE©2007Chin.Soc.forElec.Eng.9压敏电阻及其在过压保护中的应用XXX（1．哈尔滨工业大学、黑龙江哈尔滨市，150001）Thepressuresensitiveresistanceandtheapplicationinover-voltageprotectionXXX(HarerbinInstituteofTechnology，HarbinCity,HeilongjiangProvince,150001)ABSTRACT:Thevaristor(VoltageDependentResistor,VDR),alsoknownastheclipper,chopperorsurgeabsorber,isakindofsemiconductormaterialthatissensitivetothechangeofexternalvoltage.Themicrostructureisusuallycomposedofsemiconductinggrainsandinsulatinggrainboundary.Thevaristorplaysanimportantroleintheovervoltageprotection,mainlyintheprotectionoflightningovervoltageofinductiveload,over-voltageprotection,over-voltageprotection,leakageprotection,overvoltageprotection,andsoon.KEYWORDS：Varistor,Pressuresensitiveresistanceparameters,Overvoltageprotection摘要：压敏电阻(VoltageDependentResistor,VDR)，又被称为“限幅器”、“斩波器”或“浪涌吸收器”，是对外加电压变化敏感的一类半导体材料,其微观结构通常由半导化晶粒和绝缘化晶界组成。压敏电阻在过压保护中有着重要的作用，主要用于雷电过电压的保护，对感性负载的过压保护，漏电保护器过电压保护，半导体器件的过电压保护等方面。关键词：压敏电阻、压敏电阻参数、过压保护1引言它的工作原理为压敏电阻在一定的条件下“烧结”，电阻就会受电压的强烈响，其电流随着电压的升高而急剧上升，上升的曲线是一个非线性指数。当在正常工作电压时，压敏电阻处于一种高阻值状态。当浪涌到来时，它处于通路状态，强大的电流流过自身泄入大地。浪涌过后，它又马上恢复到高阻值状态。从而得到过压保护的作用。2压敏电阻综述压敏电阻是在某一特定的电压范围内其电导随电压的增加而急剧增大的一种敏感元件。由其具有稳压和过电压保护等功能，故人们也将其称为“限幅器”、“斩波器”或“浪涌吸收器”英文名称为“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”。近几年来,随着信息技术的迅速发展,电子设备的小型化、多功能化、高稳定性成为发展的必然趋势;作为保护半导体元件的压敏电阻也相应地向着低压化、高可靠性方向发展。2.1结构与特点压敏电阻的种类很多，1929～1930年，美国和德国几乎同时用碳化硅压敏材料制成高压避雷器。40年代末，苏联制成低压碳化硅压敏电阻器。1968年日本研制出氧化锌压敏材料。这种材料具有比其他材料更为优异的电气性能，至今仍获得广泛应用。其他金属氧化物(Fe2O3、TiO等)压敏电阻器也得到发展。其中最有代表性的为氧化锌压敏电阻。其电路符号、外形和内部结构如图1示，图1(a)为电路符号，图1(b)为压敏电阻外形，图1(c)为氧化锌压敏电阻的内部结构。图1压敏电阻的电路符号、外形和内部结构随着加在压敏电阻上面的电压不断增大，它的电阻值可以从MΩ级变到mΩ级。当电压较低时，压敏电阻工作于漏电流区，呈现很大的电阻，漏电流很小；当电压升高进入非线性区后，电流在相当大的范围内变化时，电压变化不大，呈现较好的限压特性；电压再升高，压敏电阻进入饱和区，呈现一个很小的线性电阻，由于电流很大，时间一长就会使压敏电阻过热烧毁甚至炸裂。正常使用时压敏电阻处于漏电流区，受到浪涌冲击时进入非线性区Vol.25SupplementaryIssuePowerSystemTechnology10泄放浪涌电流，一般不能进入饱和区。其伏安特性曲线如图2所示。图2压敏电阻的伏安特性2.2主要参数压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。其中最重要的就是压敏电压和通流容量。2.2.1压敏电压即标称电压或阈值电压，是指压敏电阻在一定沮度范围内规定电流下的电压降通常规定电流为1mA直流，该基准电流下的压敏电压记作1mAV，其产品的压敏电压范围可以10-9000V不等，可根据具体需要正确选用。一般11.52.2mAPacVVV，式中，PV为电路额定电压的峰值。acV为额定交流电压的有效值。如一台用电器的额定电源电压为220V，则压敏电阻电压值11.51.5220476mAPVVVV，12.22.2220484mAacVVV，因此压敏电阻的击穿电压可选在470－480V之间。2.2.2通流容量是指环境温度为25℃情况下，按规定的时间间隔和次数，在压敏电阻上施加规定的波形电流冲击时，压敏电压参数变化不超过规定值的最大峰值电流。目前测试该参数大多要求V1mA的变化率不超过±l0％。为了延长器件的使用寿命，压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。2.2.3最大持续工作电压VC指压敏电阻能长期承受的最大交流电压(有效值)Vac或最大直流电压Vdc。一般Vac≈0.64V1mA，Vdc≈0.83V1mA。2.2.4最大限制电压(V)在压敏电阻能承受的最大脉冲峰值电流Ip及规定波形下压敏电阻两端电压峰值。2.2.5漏电流给压敏电阻施加最大直流电压Vdc时流过的电流。测量漏电流时，通常给压敏电阻加上Vdc=0.83V1mA的电压。一般要求静态漏电流≤20μA。在实际使用中，更关心的不是静态漏电流值本身的大小，而是它的稳定性，即在冲击试验后或在高温条件下的变化率。在冲击试验后或在高温条件下其变化率不超过一倍，即认为是稳定的。2.3压敏电阻的型号正确选用压敏电阻，首先必须了解压敏电阻型号的组成与含义。压敏电阻的型号通常表示为MY口-口口口，共五个部分。其中，第1部分“MY”表示压敏电阻；第2部分用汉语拼音字母表示产品的分类与用途，如果J、W、G、L、H、Z、B、D等分别代表家用、稳压、过压保护、防雷、灭弧、消噪、补偿、通用；第3部分表示以mm作为计量单位的基片直径；第4部分用字母表示电压允许误差，如K±l0％，M±20％；第5部分表示压敏电压，可以带计量单位。当不带计量单位(V)采用三位数字表示压敏电压时．若V1mA是两位数，后面要加“0”。820则表示82V；如V1mA是三位数且末位数是0，如820V，应用82l表示；而8200V则用822表示。例如型号MYGlOK47l表示是过压保护用压敏电阻，瓷片直径10mm，允许偏差±10％，标称电压是470V。由于目前国内在该产品的型号组成上尚未达到完全统一，故选用时应以产品样本为准。2.4压敏电阻的选择压敏电阻在作为过电压保护元件时，有可能因为过热而损坏，其原因有：压敏电压偏低、通流容量偏小等等，因此要正确的选择和使用压敏电阻，主要注意以下几点：2.4.1压敏电压参数的选择该参数的选取，要根据实际电路和电源情况而定。若压敏电阻用于过压保护，其压敏电压必须高于实际电路的电压值。在直流电压Vdc下一般取V1mA=(1.5～2)Vdc；当用于交流电压Vac(有效值)下时则取V1mA=(2～2.5)Vac；若压敏电阻上的电压是脉冲电压，则V1mA=(1.4～2)×脉冲电压幅值。如果压敏电阻在电路中处于间断工作状态,以上各式的系数应取得小一些；若其长时间工作于不间断状态，系数应取大一些。V1mA的上限则由被保护器件或装置的耐压所决定。2.4.2通流容量的选取第25卷增刊电网技术为延长压敏电阻的使用寿命并为电子线路提供可靠保护，该参数的选择应留有充分余量。一般用于操作过电压保护时，压敏电阻的通流容量选择1KA～5KA；如用于防雷浪涌保护，可选用2KA～20KA的元件。2.4.3电阻串并联特性当压敏电阻串联使用时，应确保每只压敏电阻的通流容量相同，特性相近。串联后的最大允许电路电压等于各只压敏电阻最大允许电路电压之和。在浪涌电流特别大的情况下也可将若干只压敏电阻并联使用，但要保证每只元件的压敏电压和伏安特性一致。并联后的压敏电压不变，总通流容量为各个压敏电阻的通流容量之和。由于串并联的只数增加往往使其可靠性降低，故应控制串并联压敏电阻的数量。2.4.4高频特性由于压敏电阻的固有静态电容从几百到几万pF，在频率较高时应选用容值小的压敏电阻，并要在压敏电阻上串接高频阻流圈，以减小高频信号衰减。3压敏电阻在过压保护中的作用电路中经常出现过电压现象，他们是由于能量突然释放所引起的，这种能量可能是电路本身储存的，也可能是通过其他途径进入到电路中的，最常见的是雷电引起的雷电过电压、电感电路中电流突变引起的过电压等等。这些过电压的幅值可能会高出正常电压几倍或几百倍，从而造成电路元件的击穿、火花甚至爆炸等严重后果，因此用压敏电阻将过电压限制在允许的范围内，就可以降低对设备和元件的耐压要求，提高系统的稳定性。下面讨论一下压敏电阻在过电压保护中的几个应用。3.1雷电过电压的保护雷击对输电线路放电产生了过电压，这种过电压的电压值很高，可达到100～10000V，造成巨大的危害。因此对于室外的电力系统和设备来说，必须采取措施来防止雷电过电压，可以采用并联压敏电阻的方法。这样，正常情况下，压敏电阻相当于开路，不影响设备正常工作，而当发生雷电过电压时，压敏电阻的电阻值迅速减小导通，这些能量通过压敏电阻入地，从而保护了电气设备使其不会被击穿。如果电气设备要求的残压很低，可以采用多级保护的方法，如图3所示，利用氧化锌压敏电阻做避雷器消除雷电过电压。电气设备ZnO避雷器图3压敏电阻消除雷电过电压3.2对感性负载的过压保护当切断含有接触器、继电器、电磁离合器等感性负载的电路时，其过电压可以超过电源电压很多倍，这对电路元件的绝缘是十分有害的。此时在线圈两端并联压敏电阻，则在正常工作状态下其功耗很小，不影响其他元件的正常运行；而在切断电路时又能把过电压限制在安全范围内，抑制了过电压，防止电火花的产生和电弧放i，使开关触点免受烧蚀，从而增加了其可靠性和使用寿命。其电路如图4所示SUiVRVL图4压敏电阻对感性负载的过压保护3.3在漏电保护器过电压保护中的应用压敏电阻主要是对漏电保护器内的单向晶闸管其过电压保护作用。因为如果在工作过程中，单向晶闸管屡次出现被击穿的现象，就会造成漏电保护器的误动作，因此必须加装压敏电阻来进行过电压保护。压敏电阻接法见图5，压敏电阻并接在电源出线两端，这种接法能可靠地保护单向晶闸管。其原理为：当出现过电压大雨压敏电阻的压敏电压时，其阻抗立即减小，则通过的电流迅速增大，造成外线路阻抗上的电压大幅上升，而压敏电阻两端Vol.25SupplementaryIssuePowerSystemTechnology12的电压却增加的很少，即漏电保护器上的电压上升很少。所以压敏电阻可以将过电压泄放掉，从而可靠地保护了单向晶闸管。S电子线路进线进线TARVU出线VR2C脱扣器线圈L图5压敏电阻用于漏电保护器中3.4用于半导体器件的过电压保护为了防止半导体器件在工作时由于过电压被烧毁，常使用压敏电阻加以保护。如图6所示的电路中，在晶体管的射极和集电极之间，或者在变压器的一次侧接压敏电阻，能有效保护晶体管。其原理如下：在正常工作状态下压敏呈现高阻状态，而当承受过电压时，迅速变为低阻状态，过电