電湧保護器(SPD)是抑製由雷電
、電(dian)氣(qi)係(xi)統(tong)操(cao)作(zuo)或(huo)靜(jing)電(dian)等(deng)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)衝(chong)擊(ji)電(dian)壓(ya)，保(bao)護(hu)電(dian)子(zi)信(xin)息(xi)技(ji)術(shu)產(chan)品(pin)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)器(qi)件(jian)。隨(sui)著(zhe)各(ge)種(zhong)電(dian)子(zi)信(xin)息(xi)技(ji)術(shu)產(chan)品(pin)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)滲(shen)入(ru)到(dao)社(she)會(hui)和(he)家(jia)庭(ting)生(sheng)活(huo)的(de)各(ge)個(ge)領(ling)域(yu)


，SPD的使用範圍日益擴大，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，兩相關於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，不同波形衝擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與衝擊電流峰值的關係。最後對SPD應用中各個電壓之間的相互關係作了說明。

SPD的響應時間

不少人錯誤地認為，響應時間是衡量SPD保(bao)護(hu)性(xing)能(neng)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)，製(zhi)造(zao)廠(chang)也(ye)在(zai)其(qi)技(ji)術(shu)資(zi)料(liao)中(zhong)列(lie)明(ming)了(le)這(zhe)一(yi)參(can)數(shu)，但(dan)許(xu)多(duo)製(zhi)造(zao)廠(chang)並(bing)不(bu)知(zhi)道(dao)它(ta)的(de)確(que)切(qie)含(han)義(yi)，也(ye)未(wei)進(jin)行(xing)過(guo)測(ce)量(liang)。一(yi)個(ge)流(liu)行(xing)的(de)觀(guan)點(dian)是(shi)
，在(zai)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)內(nei)，SPD對入侵的衝擊無抑製作用，衝擊電壓是"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中對衝擊過電壓起抑製作用的非線性元件

，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、可控矽)。

氧化鋅壓敏電阻器是一種化合物半導體器件，其中的電流對於加在它上麵的電壓的響應本質上是很快的。

那麼，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是怎麼回事呢？

這是技術標準IEEEC62.33-1982中定義的響應時間，它是一個用來表征"過衝"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。

IEEEC62.3(6.3)電壓過衝(UOS)。在衝擊電流波前很陡
、數值又很大時，測量帶引線壓敏電阻的限製電壓的結果表明
，它大於以8/20標準波時的限製電壓。這種電壓增量UOS稱作"過衝"。盡(jin)管(guan)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)材(cai)料(liao)本(ben)身(shen)對(dui)陡(dou)衝(chong)擊(ji)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)，但(dan)差(cha)別(bie)不(bu)大(da)。造(zao)成(cheng)過(guo)衝(chong)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)在(zai)器(qi)件(jian)的(de)載(zai)流(liu)引(yin)線(xian)周(zhou)圍(wei)建(jian)立(li)起(qi)了(le)磁(ci)場(chang)，該(gai)此(ci)磁(ci)場(chang)在(zai)器(qi)件(jian)引(yin)線(xian)和(he)被(bei)保(bao)護(hu)線(xian)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)環(huan)路(lu)中(zhong)，或(huo)者(zhe)在(zai)引(yin)線(xian)與(yu)模(mo)擬(ni)被(bei)保(bao)護(hu)線(xian)路(lu)的(de)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)環(huan)路(lu)感(gan)應(ying)出(chu)電(dian)壓(ya)。

在(zai)典(dian)型(xing)的(de)使(shi)用(yong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，一(yi)定(ding)的(de)引(yin)線(xian)長(chang)度(du)是(shi)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)的(de)，這(zhe)種(zhong)附(fu)加(jia)電(dian)壓(ya)將(jiang)加(jia)在(zai)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)器(qi)後(hou)麵(mian)的(de)被(bei)保(bao)護(hu)線(xian)路(lu)上(shang)，所(suo)以(yi)在(zai)衝(chong)擊(ji)波(bo)波(bo)前(qian)很(hen)陡(dou)而(er)數(shu)值(zhi)又(you)很(hen)大(da)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)測(ce)量(liang)限(xian)製(zhi)電(dian)壓(ya)時(shi)，必(bi)須(xu)認(ren)識(shi)到(dao)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)對(dui)於(yu)引(yin)線(xian)長(chang)度(du)和(he)環(huan)路(lu)耦(ou)合(he)的(de)依(yi)賴(lai)關(guan)係(xi)，而(er)不(bu)能(neng)把(ba)過(guo)衝(chong)作(zuo)為(wei)器(qi)件(jian)內(nei)在(zai)的(de)特(te)性(xing)來(lai)看(kan)待(dai)。

近幾年發表的國際電工委員會關於SPD的技術標準IEC61643-1和IEC6163-21都沒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) 對於衝擊保護這一目的而言，在規定條件下測得的限製電壓，才是十分重要的特性。
(2) SPD對波前的響應特性不僅與SPD的(de)內(nei)部(bu)電(dian)抗(kang)以(yi)及(ji)對(dui)衝(chong)擊(ji)電(dian)壓(ya)起(qi)限(xian)製(zhi)作(zuo)用(yong)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)導(dao)電(dian)機(ji)理(li)有(you)關(guan)
，還(hai)與(yu)侵(qin)入(ru)衝(chong)擊(ji)波(bo)的(de)上(shang)升(sheng)速(su)率(lv)和(he)衝(chong)擊(ji)源(yuan)阻(zu)抗(kang)有(you)關(guan)
，連(lian)接(jie)線(xian)的(de)長(chang)短(duan)和(he)接(jie)線(xian)方(fang)式(shi)也(ye)有(you)重(zhong)要(yao)影(ying)響(xiang)。

筆者認為
，對於電源保護用SPD，以下三項技術指標是重要的：①限製電壓(保護電平)
；②通流能力(衝擊電流穩定性)；③3連續工作電壓壽命。
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多級SPD的動作順序

當單級SPD不能將入侵的衝擊過電壓抑製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製元件的SPD。

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湧抑製二極管(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

，當入侵衝擊波加在X-E端子上時
，總是第一級RV1先導銅
，然後才是第二級。實際上，第一級或第二級先導通都是可能的，這取決於以下因素：

(1) 入侵衝擊波的波形，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。第二級導通後，當衝擊電流I上升到iRs＋Un2 ≥Un1是第一級才導通。第一級導通後，由於在大電流下第一級的等效阻抗比Rs加(jia)第(di)二(er)級(ji)的(de)等(deng)效(xiao)阻(zu)抗(kang)之(zhi)和(he)小(xiao)得(de)多(duo)。因(yin)而(er)大(da)部(bu)分(fen)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)經(jing)第(di)一(yi)級(ji)泄(xie)放(fang)

，而(er)經(jing)第(di)二(er)級(ji)泄(xie)放(fang)的(de)電(dian)流(liu)則(ze)要(yao)小(xiao)得(de)多(duo)。若(ruo)第(di)一(yi)級(ji)為(wei)氣(qi)體(ti)放(fang)電(dian)管(guan)
，它(ta)導(dao)通(tong)後(hou)的(de)殘(can)壓(ya)通(tong)常(chang)低(di)於(yu)第(di)二(er)級(ji)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)壓(ya)Un2，於是第二級截止，剩餘衝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製電壓為Uc1(1),則以後隨著入侵衝擊電流升速(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。第二級導通後，將輸出端Y的電壓，抑製在一個較低的電平上。

不同波形衝擊電流的等效變換

SPD的衝擊電流試驗會碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形
，那麼從對於SPD的de破po壞huai作zuo用yong等deng效xiao的de角jiao度du看kan，如ru何he進jin行xing不bu同tong波bo形xing衝chong擊ji電dian流liu的de峰feng值zhi換huan算suan，有you人ren主zhu張zhang按an電dian荷he量liang相xiang等deng的de原yuan則ze進jin行xing換huan算suan。按an照zhao這zhe一yi原yuan則ze，隻zhi要yao將jiang兩liang種zhong不bu同tong波bo形xing的de電dian流liu波bo對dui時shi間jian積ji分fen，求qiu得de總zong的de電dian荷he量liang，令ling兩liang個ge電dian荷he量liang相xiang等deng
，就jiu可ke得de到dao兩liang種zhong波bo的de電dian流liu峰feng值zhi之zhi間jian的de比bi例li關guan係xi了le。這zhe種zhong變bian換huan方fang法fa與yu泄xie放fang衝chong擊ji電dian流liu的de元yuan件jian沒mei有you一yi點dian關guan係xi
，顯xian然ran是shi不bu切qie合he實shi際ji的de。還hai有you人ren主zhu張zhang按an能neng量liang相xiang等deng的de原yuan則ze進jin行xing換huan算suan。按an照zhao這zhe一yi原yuan則ze，不bu僅jin要yao知zhi道dao兩liang個ge電dian流liu波bo形xing，還hai要yao知zhi道dao當dang這zhe兩liang個ge電dian流liu波bo流liu入ru電dian壓ya抑yi製zhi元yuan件jian時shi，該gai元yuan件jian兩liang端duan限xian製zhi電dian壓ya的de波bo形xing
，然ran後hou將jiang各ge個ge時shi刻ke對dui應ying的de電dian流liu值zhi和he電dian壓ya值zhi相xiang乘cheng而er得de出chu功gong率lv波bo

，再zai將jiang功gong率lv波bo對dui時shi間jian積ji分fen得de出chu能neng量liang

，令ling兩liang個ge能neng量liang值zhi相xiang等deng
，就jiu可ke得de到dao兩liang個ge電dian流liu峰feng值zhi之zhi間jian的de比bi例li關guan係xi了le。這zhe種zhong變bian換huan方fang法fa考kao慮lv到dao了le具ju體ti的de非fei線xian性xing元yuan件jian
，但dan沒mei有you考kao慮lv衝chong擊ji電dian流liu的de熱re效xiao應ying和he電dian流liu值zhi很hen大da時shi的de電dian動dong力li效xiao應ying。實shi際ji上shang就jiu氧yang化hua鋅xin壓ya敏min電dian阻zu而er言yan，它ta能neng承cheng受shou的de8/20衝擊電流的能量比承受2ms時的能量大。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的衝擊電流能量隨電極麵積的變化。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；在大電流作用下
，壓敏電阻的破壞模式有兩種
，當大衝擊電流的時間寬度不大於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於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(shi)間(jian)很(hen)短(duan)的(de)大(da)電(dian)流(liu)在(zai)電(dian)阻(zu)體(ti)內(nei)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)來(lai)不(bu)及(ji)向(xiang)周(zhou)圍(wei)傳(chuan)導(dao)，是(shi)個(ge)絕(jue)熱(re)過(guo)程(cheng)
，加(jia)上(shang)電(dian)阻(zu)體(ti)的(de)不(bu)均(jun)勻(yun)使(shi)電(dian)流(liu)的(de)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)勻(yun)，這(zhe)樣(yang)電(dian)阻(zu)體(ti)不(bu)同(tong)部(bu)位(wei)之(zhi)間(jian)的(de)溫(wen)差(cha)很(hen)大(da)

，形(xing)成(cheng)很(hen)大(da)的(de)熱(re)應(ying)力(li)而(er)使(shi)電(dian)阻(zu)體(ti)開(kai)裂(lie)。當(dang)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)的(de)作(zuo)用(yong)時(shi)間(jian)較(jiao)長(chang)時(shi)
，電(dian)阻(zu)體(ti)不(bu)均(jun)勻(yun)造(zao)成(cheng)的(de)電(dian)流(liu)集(ji)中(zhong)
，使(shi)電(dian)阻(zu)體(ti)材(cai)料(liao)熔(rong)化(hua)而(er)形(xing)成(cheng)穿(chuan)孔(kong)。

使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A•cm-2)與衝擊電流波的時間寬度r(μs)之間的關係，在雙對數坐標中大體為一條斜率為負值的直線，因而可用下麵的方程式來表達：
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
，於是就可以計算出這種產品能夠承受的不同波形衝擊電流的峰值了。

綜上所述
，對於以壓敏電阻作為非線性抑製元件的SPD，為進行不同波形衝擊電流之間的等效變換
，應以兩種不同波形(例8/20
、10/350)的衝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，然後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，但實際能承受的衝擊電流(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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