中心議題：

• 壓敏電阻的工作原理及失效機理
• 單獨采用過流保護方式應對壓敏電阻失效的現狀分析
• 推薦應對壓敏電阻失效的合適方案

解決方案：

• 采用溫度管理
• 全模保護
• 采用熱保護型壓敏電阻

基ji於yu壓ya敏min電dian阻zu的de工gong作zuo與yu失shi效xiao機ji理li
，闡chan述shu了le單dan獨du采cai用yong過guo電dian流liu保bao護hu方fang式shi應ying對dui壓ya敏min電dian阻zu失shi效xiao的de弊bi端duan，並bing提ti出chu了le壓ya敏min電dian阻zu失shi效xiao的de最zui佳jia保bao護hu方fang式shi為wei過guo溫wen保bao護hu。

1 .引言

隨sui著zhe科ke技ji的de不bu斷duan發fa展zhan，物wu質zhi生sheng活huo的de不bu斷duan豐feng富fu，各ge式shi各ge樣yang的de家jia用yong電dian器qi已yi經jing成cheng為wei人ren們men日ri常chang生sheng活huo必bi不bu可ke少shao的de組zu成cheng部bu分fen。我wo們men在zai享xiang受shou各ge種zhong功gong能neng繁fan多duo的de家jia用yong電dian器qi給gei生sheng活huo帶dai來lai方fang便bian的de同tong時shi，也ye存cun在zai著zhe家jia用yong電dian器qi巨ju大da的de安an全quan隱yin患huan，我wo們men經jing常chang可ke以yi在zai媒mei體ti上shang看kan到dao關guan於yu各ge種zhong家jia用yong電dian器qi的de安an全quan問wen題ti引yin發fa的de事shi故gu
，主zhu要yao有you：火災事故、baozhashigujifeijiudianchidengduihuanjingzaochengwuranshigudeng。yinqihuozaishigudefashengyouduoyuyamindianzushixiaohouweinengjishituolidianlu，zaochengxitongdianyuanbutongchengdudeduanluyouguan，benwenzhuyaoqianshudanducaiyongguodianliubaohufangshiyingduiyamindianzushixiaodebiduan

，bingtichuleyamindianzushixiaodezuijiabaohufangshiweiguowenbaohu。

2 .壓敏電阻的工作原理及失效機理

氧化鋅壓敏電阻器MOV 是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物
，典型的電子陶瓷工藝製成的多晶半導體陶瓷元件。MOV 具(ju)有(you)獨(du)特(te)的(de)晶(jing)界(jie)結(jie)構(gou)，在(zai)一(yi)定(ding)電(dian)場(chang)下(xia)
，晶(jing)界(jie)導(dao)電(dian)由(you)熱(re)電(dian)子(zi)發(fa)射(she)傳(chuan)導(dao)瞬(shun)間(jian)轉(zhuan)變(bian)為(wei)電(dian)子(zi)隧(sui)道(dao)傳(chuan)導(dao)，其(qi)電(dian)阻(zu)值(zhi)隨(sui)著(zhe)電(dian)壓(ya)的(de)增(zeng)大(da)而(er)急(ji)劇(ju)減(jian)小(xiao)
，具(ju)有(you)優(you)異(yi)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)伏(fu)安(an)特(te)性(xing)
，那(na)麼(me)
，當(dang)家(jia)用(yong)電(dian)器(qi)所(suo)接(jie)的(de)電(dian)源(yuan)中(zhong)存(cun)在(zai)過(guo)電(dian)壓(ya)時(shi)，MOV 晶界電子隧道效應抑製過電壓峰值增長
，吸收部分過電壓能量，從而起到防護作用
，MOV 具有高通流容量，低殘壓，無續流且成本較低等優點，已被首選使用在家用電器的電源入口作為過電壓保護元件。

MOV 具有很高的瞬時（納秒級或微妙級）過電壓抑製能力，但在暫時（毫秒級或秒級）過電壓、過電流或頻繁的浪湧電流衝擊下
，MOV 較容易出現老化現象。

MOV 的失效主要有兩種模式，一種為開路模式，該模式主要發生在MOV 流過遠遠超出自身能夠承受的浪湧電流時，表征為MOV 本體炸裂
，但這種模式不會引起燃燒現象，且出現在家用電器中概率是很低的；另一種為短路模式，大體上可分為老化失效和暫態過電壓破壞兩種類型：

a
、老化失效，這是指電阻體的低阻線性化逐步加劇，漏電流惡性增加且集中流入薄弱點，薄弱點材料融化，形成1kΩ 左右的短路孔後
，電源繼續推動一個較大的電流灌入短路點
，形成高熱而起火。研究結果表明， 若壓敏電阻存在著製造缺陷，易發生早期失效， 強度不大的電衝擊的多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現；

b、暫態過電壓破壞
，這是指較強的暫態過電壓使電阻體穿孔，導致更大的電流而高熱起火，整個過程在較短時間內發生。
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短路失效是引起壓敏電阻起火燃燒的主要原因，從而導致家用電器發生火災事故，以下是MOV在不同過電流試驗後失效圖片（參照UL1449 3rd 39.4 條款測試）：

 
圖1:MOV14D471 在600V*320mA 電流試驗後圖 圖2:MOV14D471 在600V*500mA 電流試驗後圖
 
圖3:MOV14D471 在600V*1A 電流試驗後圖片 圖4:MOV14D471 在600V*2A 電流試驗後圖片
 
圖5:MOV14D471 在600V*5A 電流試驗後圖片 圖6:MOV14D471 在600V*10A 電流試驗後圖片
 
圖7:MOV14D471 在600V*15A 電流試驗後圖片 圖8:MOV14D471 在600V*20A 電流試驗後圖片

說明：圖4、圖6 為人為切斷電路後的照片；圖1~3、圖5、圖7~8 為未人為切斷電路前的照片。
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3 單獨采用過流保護方式應對壓敏電阻失效的現狀分析

3.1 壓敏電阻MOV 與電流保險絲FUSE 的浪湧電流承受能力對比，見表1

表1

3.2 家用電器電路設計現狀及矛盾

圖9：空氣調節器典型電路設計（截圖）之一

圖10：空氣調節器典型電路設計（截圖）之二

從圖9
、圖10 反映了目前家用電器電路設計的習慣思路，在MOV 前端置放了電流保險絲fuse,浪湧電流從電源端輸入後先經過FUSE,再由流經MOV.如此有兩個矛盾存在：

a、MOV 與FUSE 的最大浪湧承受能力的矛盾，如表1 中所示；電路設計時
，如果為了滿足MOV 的浪湧電流承受能力時
，就必須提高FUSE 的額定電流值，這樣過大的電流額定值將嚴重降低對後置電路的過流保護效果，火災隱患倍增；反之，為了保證FUSE duihouzhidianludeguoliubaohuxiaoguo，jiudeanxuyaoxuanzejiaoxiaodeedingdianliuzhi，tongshiyedafujiandilezhenggedianludelangyongchengshounengli，zaikehushiyongguochengzhongjiangchuxianFUSE 很容易斷開。

b、引起MOV 燃燒的擊穿電流與FUSE 的斷開電流的矛盾。
如圖1~圖8 所示
， 不管MOV 的浪湧承受能力的大小
，MOV 在不同的過電流下就會引起高溫、冒煙甚至燃燒；FUSE 隻在MOV 因暫時過電壓作用下、擊穿電流快速增大到2 倍的FUSE額定電流時才能迅速斷開電流
；如果是MOV 老化引起的壓敏電壓逐漸下降
，MOV 的漏電流緩慢增加而引發的MOV 燃燒，此時的FUSE 將無法斷開電路。
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4 推薦應對壓敏電阻失效的合適方案

4.1 壓敏電阻失效表征特點為本體溫度快速上升
，采用溫度管理是最有效方式
yamindianzushijishangshiyizhongjuyoufeixianxingfuantexingdeminganyuanjian，zaizhengchangdianyatiaojianxia，zhexiangdangyuyizhixiaodianrongqi，erdangdianluchuxianguodianyashi，tadeneizujijuxiajiangbingxunsudaotong，qigongzuodianliuzengjiajigeshuliangji

，congeryouxiaodibaohuledianluzhongdeqitayuanqijianbuzhiguoyaersunhuai，tadefuantexingshiduichengde，rutu（11）a 所示。這種元件是利用陶瓷工藝製成的，它的內部微觀結構如圖（11）b 所示。微觀結構中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍的晶界層。其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質而呈N 型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)
，晶(jing)界(jie)物(wu)質(zhi)中(zhong)含(han)有(you)大(da)量(liang)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)形(xing)成(cheng)大(da)量(liang)界(jie)麵(mian)態(tai)，這(zhe)樣(yang)每(mei)一(yi)微(wei)觀(guan)單(dan)元(yuan)是(shi)一(yi)個(ge)背(bei)靠(kao)背(bei)肖(xiao)特(te)基(ji)勢(shi)壘(lei)，整(zheng)個(ge)陶(tao)瓷(ci)就(jiu)是(shi)由(you)許(xu)多(duo)背(bei)靠(kao)背(bei)肖(xiao)特(te)基(ji)墊(dian)壘(lei)串(chuan)並(bing)聯(lian)的(de)組(zu)合(he)體(ti)。

 
圖（11）a 伏安特性曲線                                   圖（11）b 內部微觀結構

圖12 是壓敏電阻器的等效電路。 氧yang化hua鋅xin晶jing粒li的de電dian阻zu率lv很hen低di
，而er晶jing界jie層ceng的de電dian阻zu率lv卻que很hen高gao，相xiang接jie觸chu的de兩liang個ge晶jing粒li之zhi間jian形xing成cheng了le一yi個ge相xiang當dang於yu齊qi納na二er極ji管guan的de勢shi壘lei，這zhe就jiu是shi一yi壓ya敏min電dian阻zu單dan元yuan，每mei個ge單dan元yuan擊ji穿chuan電dian壓ya大da約yue為wei3~3.5V,如ru果guo將jiang許xu多duo的de這zhe種zhong單dan元yuan加jia以yi串chuan聯lian和he並bing聯lian就jiu構gou成cheng了le壓ya敏min電dian阻zu的de基ji體ti。串chuan聯lian的de單dan元yuan越yue多duo，其qi擊ji穿chuan電dian壓ya就jiu超chao高gao，基ji片pian的de橫heng截jie麵mian積ji越yue大da
，其qi通tong流liu容rong量liang也ye越yue大da。壓ya敏min電dian阻zu在zai工gong作zuo時shi，每mei個ge壓ya敏min電dian阻zu單dan元yuan都dou在zai承cheng受shou浪lang湧yong電dian能neng量liang。

圖12 壓敏電阻等效電路

壓敏電阻的缺點是易老化，大多數情況下P-N結(jie)過(guo)載(zai)時(shi)會(hui)造(zao)成(cheng)短(duan)路(lu)且(qie)不(bu)可(ke)回(hui)轉(zhuan)至(zhi)正(zheng)常(chang)狀(zhuang)態(tai)，在(zai)電(dian)衝(chong)擊(ji)的(de)反(fan)複(fu)多(duo)次(ci)作(zuo)用(yong)下(xia)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)內(nei)的(de)二(er)極(ji)管(guan)元(yuan)件(jian)被(bei)擊(ji)穿(chuan)，電(dian)阻(zu)體(ti)的(de)低(di)阻(zu)線(xian)性(xing)化(hua)逐(zhu)步(bu)加(jia)劇(ju)，壓(ya)敏(min)電(dian)壓(ya)越(yue)來(lai)越(yue)低(di)
，漏(lou)電(dian)流(liu)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)

，隨(sui)著(zhe)MOV 本體溫度的升高，漏電流更大，形成惡性循環，以至MOV 的溫度升高達到外包封材料的燃點，這種情況稱之為高阻抗短路（1kΩ 左右），焦耳熱使得MOV 發熱增加且集中流入薄弱點，薄弱點材料融化
，形成1kΩ 左右的短路孔後，電源繼續推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。研究結果表明
， 若壓敏電阻存在著製造缺陷，易發生早期失效， 強度不大的電衝擊的反複多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現。這是通過試驗能夠證明的。

因yin此ci可ke見jian，壓ya敏min電dian阻zu的de失shi效xiao前qian兆zhao是shi其qi溫wen度du的de快kuai速su提ti升sheng
，溫wen度du的de提ti升sheng速su度du快kuai於yu漏lou電dian流liu的de提ti升sheng速su度du，故gu采cai用yong溫wen度du管guan理li方fang式shi來lai及ji時shi判pan斷duan壓ya敏min電dian阻zu的de性xing能neng是shi最zui為wei合he適shi了le。采cai用yong溫wen度du管guan理li保bao護hu壓ya敏min電dian阻zu的de方fang式shi有you機ji械xie脫tuo扣kou方fang式shi、溫度保險絲切斷電路方式等，其保護效果的關鍵在於熱的采集、傳遞速度，最佳的熱保護方式能夠讓因失效而處於過度發熱的壓敏電阻及時地脫離電路
，從而避免連環式火災的產生。
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4.2 熱保護型壓敏電阻的優點
具有合金型溫度保險絲（thermal cutoff）的壓敏電阻器（MOV）
，稱之為熱保護型壓敏電阻器（thermally protected metal oxide varistor 以下簡稱為TMOV）
，是shi將jiang合he金jin型xing溫wen度du保bao險xian絲si與yu壓ya敏min電dian阻zu以yi最zui近jin距ju離li的de串chuan聯lian方fang式shi集ji合he成cheng一yi體ti，能neng夠gou確que保bao溫wen度du保bao險xian絲si即ji時shi吸xi取qu壓ya敏min電dian阻zu所suo發fa的de熱re量liang，以yi在zai壓ya敏min電dian阻zu著zhe火huo前qian快kuai速su切qie斷duan電dian路lu。此ci時shi流liu經jing壓ya敏min電dian阻zu的de漏lou電dian流liu還hai不bu夠gou大da，不bu足zu以yi切qie斷duan電dian流liu保bao險xian絲si。

與壓敏電阻相串聯的合金型溫度保險絲，具有與壓敏電阻的最大浪湧承受能力Imax 相當的通流量。

以下是TMOV 在不同過電流試驗後失效圖片（參照UL1449 3rd 39.4 條款測試）：

 
圖13：TMOV10S471 在600V*0.5A 電流試驗後圖片 圖14：TMOV10S471 在600V*2.5A 電流試驗後圖片
 
圖15：TMOV10S471 在600V*5A 電流試驗後圖片 圖16：TMOV10S471 在600V*10A 電流試驗後圖片

說明：圖13~16 為TMOV 中TCO 斷開後的照片
，斷開時間曲線請見圖17：

圖17：TMOV 受限電流測試曲線

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4.3 全模保護的必要性
家用電器都是以單相供電的
，現狀中大都隻在相線與中性線之間接一隻壓敏電阻器作為過電壓保護元件

，這種保護模式稱之為橫向保護、也稱為差模保護模式。僅有差模保護是不夠的。

電源浪湧並不僅源於雷擊
，當電力係統出現短路故障、投(tou)切(qie)大(da)負(fu)荷(he)時(shi)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)源(yuan)浪(lang)湧(yong)，電(dian)網(wang)綿(mian)延(yan)千(qian)裏(li)，不(bu)論(lun)是(shi)雷(lei)擊(ji)還(hai)是(shi)線(xian)路(lu)浪(lang)湧(yong)發(fa)生(sheng)的(de)幾(ji)率(lv)都(dou)很(hen)高(gao)。當(dang)遠(yuan)方(fang)發(fa)生(sheng)了(le)雷(lei)擊(ji)時(shi)，雷(lei)擊(ji)浪(lang)湧(yong)通(tong)過(guo)電(dian)網(wang)光(guang)速(su)傳(chuan)輸(shu)，經(jing)過(guo)變(bian)電(dian)站(zhan)等(deng)衰(shuai)減(jian)，到(dao)各(ge)家(jia)庭(ting)時(shi)可(ke)能(neng)仍(reng)然(ran)有(you)上(shang)千(qian)伏(fu)以(yi)上(shang)的(de)高(gao)壓(ya)
，雖(sui)然(ran)時(shi)間(jian)很(hen)短(duan)
，也(ye)足(zu)以(yi)損(sun)壞(huai)家(jia)用(yong)電(dian)器(qi)以(yi)及(ji)IT 電源等設備中的半導體器件。這種通過相線
、中(zhong)線(xian)傳(chuan)輸(shu)而(er)來(lai)的(de)電(dian)壓(ya)對(dui)地(di)線(xian)形(xing)成(cheng)了(le)縱(zong)向(xiang)過(guo)電(dian)壓(ya)，必(bi)須(xu)把(ba)這(zhe)個(ge)縱(zong)向(xiang)過(guo)電(dian)壓(ya)抑(yi)製(zhi)下(xia)去(qu)，以(yi)防(fang)止(zhi)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)的(de)絕(jue)緣(yuan)受(shou)到(dao)破(po)壞(huai)
，這(zhe)種(zhong)保(bao)護(hu)稱(cheng)為(wei)縱(zong)向(xiang)保(bao)護(hu)、也稱為共模保護。

雷擊主要引起縱向過電壓，當在下列情況時雷擊可引起橫向過電壓：
a、各線對地的阻抗不一致，通常情況下中性線與地線為低阻抗（這與低壓配電係統的接地製式有關）
，因此，相線與中性線之間可能有較高的橫向過電壓；
b、當縱向過電壓保護器的動作不一致時
，各線間會引起較高的橫向過電壓。

電網本身因素主要是操作過電壓，即電源開關（特別是較大感性負載的電源開關）動作時引起的橫向過電壓。此電壓的高低主要由開關後的負載大小來決定。空調等都可引起較高的

、對設備有害的過電壓。

因此
，我們認為

，對於家用電器而言，最好的模式是采用全模保護
，即共模保護加差模保護。

不過應當指出，在建築物的內部一定要有地線。

值得慶幸的是，現在的新的建築物內都設計有地線了。

4.4 推薦采用熱保護型壓敏電阻的兩種典型電路

圖18 采用TMOV 的全模保護電路

圖19

說明：
a、 TMOV1~3 中溫度保險絲TCO 能承受的最大放電電流與相串聯的壓敏電阻MOV 的最大放電電流相當
；
b、如果僅需采用橫向保護（差模保護）的話，圖中的TMOV1、TMOV2 可去除；
c、不用考慮圖中後置的電流保險絲fuse 的浪湧通流量，其電流額定值的選定僅需考慮後續電路中的過流保護。

5 結束語

benwenfenxizhengmingledanducaiyongguoliubaohuyingduiyamindianzushixiaoshipianmiande，bunengyouxiaobimianhuoxianyinhuandechansheng，yinggaicaiyongrebaohumoshicainengjiangshixiaoledeyamindianzucongdianluzhongjishiyouxiaotuolikai
，qierangdianliubaoxiansidezuoyongzhuanzhuyudianluzhongjingzhundeguoliubaohu，yiquebaoyonghudeanquan。