電涌保護器應用中的幾個問題
電涌保護器應用中的幾個問題的探討
摘要：探討了電涌保護器（SPD）應用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應時間、多級SPD的動作順序、不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關系。最后說明了SPD應用中各電壓之間的相互關系。
關鍵詞：電涌保護器、響應時間、沖擊電流、防雷保護
一、前言
電涌保護器(SPD)是抑制由雷電、電氣系統操作或靜電等所產生的沖擊電壓，保護電子信息技術產品必不可少的器件。隨著各種電子信息技術產品越來越多地滲入到社會和家庭生活的各個領域，SPD的使用范圍日益擴大，市場需求量日益增長。
總的來說，電子信息技術產品的過電壓保護還是一個新的技術領域，兩相關于SPD的國際標準IEC61643-1和IEC61643-21發表才幾年，有關SPD應用中的許多問題還存在著爭議，本文就其中的4個問題提出筆者個人的看法，以期引起討論。它們是：SPD的響應時間，多級SPD的動作順序，不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關系。最后對SPD應用中各個電壓之間的相互關系作了說明。
二、SPD的響應時間
不少人錯誤地認為，響應時間是衡量SPD保護性能的一個重要指標，制造廠也在其技術資料中列明了這一參數，但許多制造廠并不知道它的確切含義，也未進行過測量。一個流行的觀點是，在響應時間內，SPD對入侵的沖擊無抑制作用，沖擊電壓是"原樣透過"SPD而作用在下級的設備上。這不符合SPD的是工作情況，是錯誤的。
SPD中對沖擊過電壓起抑制作用的非線性元件，按其工作機理可區分為"限壓型"（如壓敏電阻器、穩壓二極管）和"開關型"（如氣體放電管、可控硅）。
氧化鋅壓敏電阻器是一種化合物半導體器件，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應本質上是很快的。圖1位美國GE公司用不帶引線的壓敏電阻進行抑制沖擊電壓的實驗所得到的示波圖[1>。圖中的曲線1是不加壓敏電阻時的沖擊電壓，曲線2是被壓敏電阻抑制后的波形。由圖可以清楚地看出，氧化鋅壓敏電阻抑制沖擊電壓作用的延時小于1ns。
那么，以前的技術資料中所說的用壓敏電阻構成的SPD響應時間r≤25ns是怎么回事呢？
這是技術標準IEEEC62.33-1982[2>中定義的響應時間，它是一個用來表征"過沖"特性的物理量，與通常意義上的響應時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點，下面將IEEEC62.33-1982第6.3條款引述如下（見圖2）。
IEEEC62.3(6.3)電壓過沖（UOS）。在沖擊電流波前很陡、數值又很大時，測量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結果表明，它大于以8/20標準波時的限制電壓（圖2的Uc）。這種電壓增量UOS稱作"過沖"。盡管壓敏電阻材料本身對陡沖擊的響應時間有所不同，但差別不大。造成過沖的主要原因是在器件的載流引線周圍建立起了磁場，該此磁場在器件引線和被保護線路之間的環路中，或者在引線與模擬被保護線路的測量電路之間的環路感應出電壓。
在典型的使用情況下，一定的引線長度是不可避免的，這種附加電壓將加在壓敏電阻器后面的被保護線路上，所以在沖擊波波前很陡而數值又很大的條件下測量限制電壓時，必須認識到電壓過沖對于引線長度和環路耦合的依賴關系，而不能把過沖作為器件內在的特性來看待。
近幾年來發表的國際電工委員會關于SPD的技術標準IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應時間這一參數：IEEE技術標準C62.62-2000[>更明確指出，波前響應的技術要求對SPD的典型應用而言是沒有必要的，可能引起技術要求上的誤導，因此如無特別要求，不規定該技術要求，也不進行試驗、測量、計算或其他認證。這是因為：
（1）對于沖擊保護這一目的而言，在規定條件下測得的限制電壓，才是十分重要的特性。
（2）SPD對波前的響應特性不僅與SPD的內部電抗以及對沖擊電壓起限制作用的非線性元件的導電機理有關，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關，連接線的長短和接線方式也有重要影響。
筆者認為，對于電源保護用SPD，以下三項技術指標是重要的：①限制電壓（保護電平）；②通流能力（沖擊電流穩定性）；③3連續工作電壓壽命。
三、多級SPD的動作順序
當單級SPD不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規定保護電平以下時，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
圖3是個兩級保護SPD的例子。圖中非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實用中RV1也可以使氣體放電管，Ｒv2也可以是穩壓管或浪涌抑制二極管（TVS管）。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2>Un1。
有人認為，當入侵沖擊波加在X-E端子上時，總是第一級RV1先導銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導通都是可能的，這取決于以下因素：
(1)入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速（di/dt）；
(2)非線性元件Rv1和RV2的導通電壓Un1和Un2的相對大小；
(3)隔離阻抗Zs的性質是電阻還是電感，以及它們的大小。
當Zs為電阻Rs時，多數情況是第二級先導通。第二級導通后，當沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級才導通。第一級導通后，由于在大電流下第一級的等效阻抗比Rs加第二級的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經第一級泄放，而經第二級泄放的電流則要小得多。若第一級為氣體放電管，它導通后的殘壓通常低于第二級的導通電壓Un2，于是第二級截止，剩余沖擊電流全部經第一級氣體放電管泄放。
若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級先導通。若第一級導通時的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導通。第二級導通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個較低的電平上。
四、不同波形沖擊電流的等效變換
SPD的沖擊電流試驗會碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進行不同波形沖擊電流的峰值換算，有人主張按電荷量相等的原則進行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對時間積分，求得總的電荷量，令兩個電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點關系，顯然是不切合實際的。還有人主張按能量相等的原則進行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個電流波形，還要知道當這兩個電流波流入電壓抑制元件時，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個時刻對應的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對時間積分得出能量，令兩個能量值相等，就可得到兩個電流峰值之間的比例關系了。這種變換方法考慮到了具體的非線性元件，但沒有考慮沖擊電流的熱效應和電流值很大時的電動力效應。實際上就氧化鋅壓敏電阻而言，它能承受的8/20沖擊電流的能量比承受2ms時的能量大，如圖4所示[4>。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的沖擊電流能量隨電極面積的變化。可見，能量相等的原則至少對壓敏電阻是不適用的。
對氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機理的研究得出了下述結果[4>；在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種（見圖5），當大沖擊電流的時間寬度不大于50μs時（例如4/10和8/20波），電阻體開裂；當電流值較小而時間寬度大于100μs時（例如10/350、10/1000和2ms波），電阻體穿孔。兩種不同破壞模式可以這樣解釋：時間很短的大電流在電阻體內產生的熱量來不及向周圍傳導，是個絕熱過程，加上電阻體的不均勻使電流的分布不均勻，這樣電阻體不同部位之間的溫差很大，形成很大的熱應力而使電阻體開裂。當沖擊電流的作用時間較長時，電阻體不均勻造成的電流集中，使電阻體材料熔化而形成穿孔。
圖5的實驗曲線表明，使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A·cm-2)與沖擊電流波的時間寬度r（μs）之間的關系，在雙對數坐標中大體為一條斜率為負值的直線，因而可用下面的方程式來表達：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是與具體器件相關的兩個常數，可以根據實驗資料推算出來，于是就可以計算出這種產品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。
綜上所述，對于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應以兩種不同波形（例8/20、10/350）的沖擊電流對所選定的壓敏電阻進行試驗，分別得出使試樣失效的兩個電流峰值，代入上式，求得常數C和K的具體數值，然后利用該公式進行計算。試驗式不一定進行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達到-10作為失效判據。
應當指出，就是不同企業、不同批次的壓敏電阻器，盡管尺寸規格相同，但實際能承受的沖擊電流（能量）的水平可能相差很大，因此必須對每批供貨逐批抽樣檢驗。
摘要：探討了電涌保護器（SPD）應用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應時間、多級SPD的動作順序、不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關系。最后說明了SPD應用中各電壓之間的相互關系。
關鍵詞：電涌保護器、響應時間、沖擊電流、防雷保護
一、前言
電涌保護器(SPD)是抑制由雷電、電氣系統操作或靜電等所產生的沖擊電壓，保護電子信息技術產品必不可少的器件。隨著各種電子信息技術產品越來越多地滲入到社會和家庭生活的各個領域，SPD的使用范圍日益擴大，市場需求量日益增長。
總的來說，電子信息技術產品的過電壓保護還是一個新的技術領域，兩相關于SPD的國際標準IEC61643-1和IEC61643-21發表才幾年，有關SPD應用中的許多問題還存在著爭議，本文就其中的4個問題提出筆者個人的看法，以期引起討論。它們是：SPD的響應時間，多級SPD的動作順序，不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關系。最后對SPD應用中各個電壓之間的相互關系作了說明。
二、SPD的響應時間
不少人錯誤地認為，響應時間是衡量SPD保護性能的一個重要指標，制造廠也在其技術資料中列明了這一參數，但許多制造廠并不知道它的確切含義，也未進行過測量。一個流行的觀點是，在響應時間內，SPD對入侵的沖擊無抑制作用，沖擊電壓是"原樣透過"SPD而作用在下級的設備上。這不符合SPD的是工作情況，是錯誤的。
SPD中對沖擊過電壓起抑制作用的非線性元件，按其工作機理可區分為"限壓型"（如壓敏電阻器、穩壓二極管）和"開關型"（如氣體放電管、可控硅）。
氧化鋅壓敏電阻器是一種化合物半導體器件，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應本質上是很快的。圖1位美國GE公司用不帶引線的壓敏電阻進行抑制沖擊電壓的實驗所得到的示波圖[1>。圖中的曲線1是不加壓敏電阻時的沖擊電壓，曲線2是被壓敏電阻抑制后的波形。由圖可以清楚地看出，氧化鋅壓敏電阻抑制沖擊電壓作用的延時小于1ns。
那么，以前的技術資料中所說的用壓敏電阻構成的SPD響應時間r≤25ns是怎么回事呢？
這是技術標準IEEEC62.33-1982[2>中定義的響應時間，它是一個用來表征"過沖"特性的物理量，與通常意義上的響應時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點，下面將IEEEC62.33-1982第6.3條款引述如下（見圖2）。
IEEEC62.3(6.3)電壓過沖（UOS）。在沖擊電流波前很陡、數值又很大時，測量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結果表明，它大于以8/20標準波時的限制電壓（圖2的Uc）。這種電壓增量UOS稱作"過沖"。盡管壓敏電阻材料本身對陡沖擊的響應時間有所不同，但差別不大。造成過沖的主要原因是在器件的載流引線周圍建立起了磁場，該此磁場在器件引線和被保護線路之間的環路中，或者在引線與模擬被保護線路的測量電路之間的環路感應出電壓。
在典型的使用情況下，一定的引線長度是不可避免的，這種附加電壓將加在壓敏電阻器后面的被保護線路上，所以在沖擊波波前很陡而數值又很大的條件下測量限制電壓時，必須認識到電壓過沖對于引線長度和環路耦合的依賴關系，而不能把過沖作為器件內在的特性來看待。
近幾年來發表的國際電工委員會關于SPD的技術標準IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應時間這一參數：IEEE技術標準C62.62-2000[>更明確指出，波前響應的技術要求對SPD的典型應用而言是沒有必要的，可能引起技術要求上的誤導，因此如無特別要求，不規定該技術要求，也不進行試驗、測量、計算或其他認證。這是因為：
（1）對于沖擊保護這一目的而言，在規定條件下測得的限制電壓，才是十分重要的特性。
（2）SPD對波前的響應特性不僅與SPD的內部電抗以及對沖擊電壓起限制作用的非線性元件的導電機理有關，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關，連接線的長短和接線方式也有重要影響。
筆者認為，對于電源保護用SPD，以下三項技術指標是重要的：①限制電壓（保護電平）；②通流能力（沖擊電流穩定性）；③3連續工作電壓壽命。
三、多級SPD的動作順序
當單級SPD不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規定保護電平以下時，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的SPD。
圖3是個兩級保護SPD的例子。圖中非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實用中RV1也可以使氣體放電管，Ｒv2也可以是穩壓管或浪涌抑制二極管（TVS管）。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2>Un1。
有人認為，當入侵沖擊波加在X-E端子上時，總是第一級RV1先導銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導通都是可能的，這取決于以下因素：
(1)入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速（di/dt）；
(2)非線性元件Rv1和RV2的導通電壓Un1和Un2的相對大小；
(3)隔離阻抗Zs的性質是電阻還是電感，以及它們的大小。
當Zs為電阻Rs時，多數情況是第二級先導通。第二級導通后，當沖擊電流I上升到iRs＋Un2≥Un1是第一級才導通。第一級導通后，由于在大電流下第一級的等效阻抗比Rs加第二級的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經第一級泄放，而經第二級泄放的電流則要小得多。若第一級為氣體放電管，它導通后的殘壓通常低于第二級的導通電壓Un2，于是第二級截止，剩余沖擊電流全部經第一級氣體放電管泄放。
若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當快，條件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到滿足,則第一級先導通。若第一級導通時的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當條件UC1(1)≥Ls(di/dt)＋Un2得到滿足時，第二級才導通。第二級導通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個較低的電平上。
四、不同波形沖擊電流的等效變換
SPD的沖擊電流試驗會碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進行不同波形沖擊電流的峰值換算，有人主張按電荷量相等的原則進行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對時間積分，求得總的電荷量，令兩個電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點關系，顯然是不切合實際的。還有人主張按能量相等的原則進行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個電流波形，還要知道當這兩個電流波流入電壓抑制元件時，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個時刻對應的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對時間積分得出能量，令兩個能量值相等，就可得到兩個電流峰值之間的比例關系了。這種變換方法考慮到了具體的非線性元件，但沒有考慮沖擊電流的熱效應和電流值很大時的電動力效應。實際上就氧化鋅壓敏電阻而言，它能承受的8/20沖擊電流的能量比承受2ms時的能量大，如圖4所示[4>。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的沖擊電流能量隨電極面積的變化。可見，能量相等的原則至少對壓敏電阻是不適用的。
對氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機理的研究得出了下述結果[4>；在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種（見圖5），當大沖擊電流的時間寬度不大于50μs時（例如4/10和8/20波），電阻體開裂；當電流值較小而時間寬度大于100μs時（例如10/350、10/1000和2ms波），電阻體穿孔。兩種不同破壞模式可以這樣解釋：時間很短的大電流在電阻體內產生的熱量來不及向周圍傳導，是個絕熱過程，加上電阻體的不均勻使電流的分布不均勻，這樣電阻體不同部位之間的溫差很大，形成很大的熱應力而使電阻體開裂。當沖擊電流的作用時間較長時，電阻體不均勻造成的電流集中，使電阻體材料熔化而形成穿孔。
圖5的實驗曲線表明，使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A·cm-2)與沖擊電流波的時間寬度r（μs）之間的關系，在雙對數坐標中大體為一條斜率為負值的直線，因而可用下面的方程式來表達：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是與具體器件相關的兩個常數，可以根據實驗資料推算出來，于是就可以計算出這種產品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。
綜上所述，對于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應以兩種不同波形（例8/20、10/350）的沖擊電流對所選定的壓敏電阻進行試驗，分別得出使試樣失效的兩個電流峰值，代入上式，求得常數C和K的具體數值，然后利用該公式進行計算。試驗式不一定進行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達到-10作為失效判據。
應當指出，就是不同企業、不同批次的壓敏電阻器，盡管尺寸規格相同，但實際能承受的沖擊電流（能量）的水平可能相差很大，因此必須對每批供貨逐批抽樣檢驗。
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