浪涌抑制器件特性及选用

浪涌抑制器件特性及选用

浪涌防护器件

目前在防雷浪涌过压的保护器件中主要有：防雷器、放电管、压敏电阻和半导体浪涌保护器。

在防雷器件的使用中按防护同流量能力的大小大致分为防雷器>气体放电管>压敏电阻>SAD （Surge Arrest Device ），从价格上按相同容量的防浪涌器件，SAD 的价格高于放电管，约是压敏电阻的2倍，但SAD 的响应时间最快，同时漏电流也相对较小。以上四种防浪涌器件中，放电管和SAD 都存在有动作后的续流问题，在应用中应加以考虑。

压敏电阻

压敏电阻的特性

金属氧化物压敏电阻的V/I 特性曲线相似于指数函数，可简单表示为：a KV I ，其中K 为陶瓷常数，取决于压敏电阻器的制作工艺材料等，对于金属氧化物压敏电阻指数a 可大于30，压敏电阻的V/I 特性如图1：

图1 压敏电阻的V/I 特性 压敏电阻的等效电路如图2，为电感、电容和电阻的串联模式，

图2 压敏电阻的等效电路

其中L为引线电感量，C为电容器，Rig为中间相的电阻值，Rv为理想的压敏电阻，Rb为ZnO的导通阻抗。

压敏电阻的工作电压，指在规定的工作电压时，导通电流较小，当所加电压为压敏电压的0.75倍时，压敏电阻的漏电流为uA级别，可忽略不计。脉冲电流，一般指流通过压敏电阻电流波形为8/20us波的瞬态最大脉冲电流。能量耐量，指压敏电阻的能够承受的最大的W。压敏电压，指压敏电阻流通过1mA的电流时，所需能量，其计算为：⎰=10)()(t t dt t i t v

加在压敏电阻上的电压。响应时间，指压敏电阻对浪涌的响应速度，一般为皮秒到纳秒级别，可和SAD防浪涌器件做比较。温度系数，指温度变化时压敏电阻的V/I特性随着变化，压敏电阻呈负温度特性，当温度升高时，压敏电阻的动作电压、脉冲电流、能量耐量和持续负荷都相应的降低。

压敏电阻发生浪涌过电压冲击时，在压敏电阻上测得的电压峰值既为残压，残压于压敏电压的比值，称为残压比，一般要求残压比小于3。在实际应用中应考虑到残压对保护元件的影响。

过载特性，当脉冲电流大于压敏电阻的规定值时，可导致压敏电阻受到永久性的损伤，此时压敏电阻没有损坏，但动作电压点可能会发生偏移；当输入的脉冲能量远大于其规定值时，将发生通过陶瓷体的击穿，在极端的情况下压敏电阻爆裂；当流通过压敏电阻过高的持续负荷时，将导致ZnO晶粒的融合，产生热击穿，压敏电阻陶瓷体的触点接通面可能因发热导致脱焊。

压敏电阻的应用及保护原理

压敏电阻可应用在通讯、能源、交通、工业、民用等所有电子设备防浪涌场合。按不同的浪涌过电压种类可分为，设备内部过电压，如电感负载的接通、飞狐、静电充电等引起的设备内部过电压，可通过计算出最坏情况下的条件来选用压敏电阻；外部过电压，强的电磁场、电网波动、雷电影响等都可造成外部的过电压。对于外部浪涌过电压因其波形、振幅和频繁度在大多数情况下是未知的或是很不明确的，这对需要保护的电路布置的参数设置选择是相当困难的。在对外部浪涌过压防护元件的选用上，可参考典型电源网络进行计算，但由于当地都存在有较大的差异性，，因此对于可靠的过电压保护装置，在选用上必须留有较大的余量参数。

压敏电阻的保护原理如图3：

图3 压敏电阻的保护原理

图3中Vb为正常工作电压，Vs为浪涌电压，Zsource为电缆的直流电阻，或一个线圈，或是一个传输线复合特性阻抗的有感电阻。当浪涌到达时压敏电阻动作，使其流通大电流，通过Zsource分压，使大部分浪涌电压落在Zsource上，起到保护后边的电子设备的作用。压敏电阻动作时的V/I特性和保护水平如图4：

图4 压敏电阻的V/I特性和保护水平

图4中浪涌电压为①，通过压敏电阻抑制后为②，起到保护的作用。

压敏电阻的串联使用，为达到比较精确的工作电压，一般采用同一系列不同工作电压值的压敏电阻可以串联组合使用，串联电路的最大工作电压为每个压敏电阻的最大工作电压之和。

压敏电阻的并联使用，为了提高能量的吸收能力，相同型号的压敏电阻可以并联使用。图5为压敏电压为误差上限和下限的两个压敏电阻的V/I特性近似值图：

图5 压敏电阻并联使用的V/I 特性 由图3看出，当浪涌电流较小时两个压敏电阻的电流吸收存在有较大的差别，当浪涌电流增大以后，每个压敏电阻的电流吸收基本趋于一致。压敏电压差别较大的压敏电阻并联，其分配浪涌吸收电流的不一致性也加大。

压敏电阻除了自身的并联和串联使用外，还可以和放电管等其他防雷器件组合使用，起到优化组合使用的目的。

压敏电阻的选用

压敏电阻的选用主要有一下三个步骤：

1， 适合的工作电压的压敏电阻。

2， 考虑脉冲电流、能量耐量和持续容许负荷。

3， 确定被选出的压敏电阻在过电压的情况下，最大可能的电压上升和被保护的元件或

是电流回路的耐电压强度进行比较。

在工作电压的确定上应考虑到被保护元件的最大耐压水平和压敏电阻的使用寿命上，当选用较低的工作电压的压敏电阻时，压敏电阻漏电流较大，寿命短，选用工作电压较高的压敏电阻显然是不合适的。在工作电压的选取上应同时考虑到电网源的正向波动情况。一般工作电压确定为 2.1⨯≥电网最高电压压敏电压V V 。

脉冲电流是最难确定的一个参数，因为在实际使用中的浪涌冲击电流是很难确定的一个量，在脉冲电流的确定上可通过PsPice 模拟和近似计算的方法得出，电缆电阻

压敏电压浪涌电压脉冲电流Z V V i -=。压敏电阻的脉冲电流应和输入保险相配合选用。 由于浪涌产生压敏电阻的能量损耗，⎰=1

0)()(t t dt t i t v W ，在正常使用时的能量耐量应

小于规定最大值。在正常工作电压下压敏电阻的损耗为Po ，由于此时漏电流较小，一般为几微安，Po 可忽略不计。持续负荷主要考虑重复的浪涌冲击而产生的持续损耗。能量耐量和持续容许负荷都应小于规定最大值，否则压敏电阻易发生热击穿现象。

确定压敏电阻的最大残压，一般压敏电阻的残压比在1.5~3之间，和浪涌脉冲电流的大小有关系。由被保护的元件所能承受的最大耐压确定压敏电阻的残压。一般半导体器件对us 级别的浪涌冲击的耐受电压都较高，压敏电阻的选用时做相应的考虑。

压敏电阻使用中的注意事项

1， 当输入的脉冲能量远大于其规定值时，将发生通过陶瓷体的击穿，在极端的情况下