不同脉冲电流作用下氧化锌压敏电阻伏安特性分析

文章编号：1003-8337（2013）04-0078-07

收稿日期：2013-03-15

作者简介：徐乐（1988—），男，硕士，研究方向为雷电防护技术、电涌保护器研发与测试。

基金项目：国家自然科学基金项目（编号：41175003）和江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD ）。

不同脉冲电流作用下氧化锌压敏电阻伏安特性分析

徐

乐1，杨仲江1，柴

建1，张

枨1，赵

军2

（1.南京信息工程大学雷电科学与技术系，南京210044；2.北京雷电防护装置测试中心，北京100176）

摘要：传统MOV （氧化锌压敏电阻）主要用于后级保护，不进行10/350μs 波形冲击测

试。随着MOV 通流量等性能的提升，已有部分MOV 产品应用于首级高暴露区线路，此时有必要开展MOV 在10/350μs 波形冲击下的性能研究。根据双肖特基势垒模型，结合离子迁移理论，首次对MOV 在10/350μs 与8/20μs 冲击波形下的动态伏安特性曲线进行对比分析得出：在两种脉冲电流冲击下，动态伏安曲线都可以用一个峰值△U 来校准测量值；两者的动态伏安曲线中后期都有一个先上升后缓慢回环下降的趋势，前期10/350μs 的动态伏安曲线上升速度比8/20μs 快；大电流冲击下两者的峰值电压超前峰值电流的时间同冲击电流幅值成正比。这为厂家生产用于一级低压配电侧的MOV 产品提供借鉴意义。

关键词：动态伏安曲线；氧化锌压敏电阻；8/20μs ；10/350μs ；导电机制

中图分类号：TM862

文献标识码：

A

Analysis of Dynamic Volt-Ampere Characteristic Curve of

MOV under Different Pulse Current

XU Le 1,YANG Zhong-jiang 1,CHAI Jian 1,ZHANG Cheng 1,ZHAO Jun 2

（1.The Department of Lightning Science and Technology ，Nanjing University of Information Science and Technology,

Nanjing 210044,China;2.Beijing Testing Center for Surge Protective Devices.Beijing 100176,China ）

Abstract :The traditional MOV （ZnO varistor ）was mainly used for the protection of after-class ,not the impact testing of 10/350μs waveform.With MOV through-flow uniform performance improvement,the part of MOV products had been applied to the head high-exposure area lines.So it was necessary to carry out the research of MOV performance under the 10/350μs waveform impact.We have compared the dynamic volt -ampere characteristic curve of wave -shape under the 10/350μs and 8/20μs waveform impact firstly based on the double schottky barrier model as well as the ion migration theory.Results are as follows:under the both waveform impact,dynamic volt-ampere curves can use a peak ΔU to calibrate measurements and have the same evolution trends,those are rise slowly loopback decline,in mid and late.The rise rate of dynamic volt-ampere curve under the 10/350μs waveform impact at early stage is bigger than that of 8/20μs.Under the impact of high current,the time of peak voltage ahead of peak current is proportional to the amplitude of inrush current.The study provides a new method to produce the pressure limiting MOV products for the manufacturers.

Key words:dynamic Volt-ampere curve;ZnO varistor;8/20μs;10/350μs;conduction mechanisms

2013年第4期（总第254期）

2013年8月

电瓷避雷器

Insulators and Surge Arresters

No4.2013(Ser.№.254)

Aug.2013

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2013年第4期（总第254期）

0引言

MOV压敏电阻是一种多晶氧化物非线性半导体器件，因其源自内部晶界势垒的优良U-I非线性特性和较好的大电流吸收能力而被广泛的应用于大型电气设备，电力系统，低压电源系统和信息系统的过电压保护中，其在大电流冲击下的动态伏安曲线是它的重要电气参数，用来表征它的抑制过电压能力。传统的MOV由于通流容量不够大，主要是用于设备的后级保护,常规的测试波形为8/20μs，但现在随着产品性能的提升，已经有部分限压型产品加入了10/350μs的测试并应用于首级高暴露区线路，因此对于10/350μs脉冲电流冲击下的动态伏安曲线的研究将具有重要意义。8/20μs在IEC61000中定义为开关电磁脉冲的波形，用于Ⅱ级（C）分级试验产品的测试，对应于限压型SPD。10/350μs 在IEC62305中定义为模拟雷击电流的波形，用于Ⅰ级（B）分级试验产品的测试，对应于开关型SPD。通常在电源一级低压配电侧应使用10/350μs测试的Ⅰ级（B）分级试验产品[1-2]。

目前，MOV在8/20μs脉冲电流下的伏安曲线已有较多研究，普遍认为：MOV在8/20μs脉冲电流下，电流与电压不是同时而是电压先于电流达到峰值，上升与下降阶段的伏安曲线不重合且呈回线特征；吴维韩等[3]人认为是受冲击电流和电流的变化率影响，孙丹峰等[4]人认为是脉冲电流激发的空穴滞后效应，而张俊峰等[5]人认为8/20μs脉冲电流下的回线特征是压敏陶瓷体的本征特性。目前的研究大都集中于对8/20μs脉冲电流下动态伏安曲线出现某个现象的简单阐释而无定性结论，对10/ 350μs这种能量大，波尾长的脉冲电流下动态伏安曲线的变化规律更是鲜有研究。

通过在北京雷电防护装置测试中心进行的实验，不仅验证了8/20μs动态伏安曲线回环特征的存在,而且发现在两种脉冲电流冲击过程中，动态伏安曲线呈现出中后期都有一个先上升后缓慢回环下降的趋势，前期10/350μs的动态伏安曲线明显快于8/20μs。根据双肖特基势垒模型，结合离子迁移理论解释了上述实验现象。为探索不同脉冲电流作用下动态伏安曲线变化规律提供新的参考。1冲击电流作用下动态伏安特性

ZnO非线性电阻是一种多组分的多晶陶瓷半导体。典型的ZnO非线性电阻的显微结构包括四部分：ZnO主体、晶界层、尖晶石颗粒、孔隙。晶粒与晶界层间所形成的势垒决定了ZnO电阻的非线性电压电流特性。非线性电阻的压敏特性是其晶界层的本征特性。研究者考虑晶界层的结构不同，从而提出了不同的导电机理。将晶界层看作具有一定厚度的无序高阻层，导电势垒建立在这个无序的高阻层上，从而提出了空间限制电荷电流（SCLC）模型；有的研究者认为非线性是由于厚度约为0.01μm的高阻层的隧道过程引起的，从而提出了隧道效应模型;有的研究者根据晶界层非常薄的特点，提出了双肖特基势垒模型[6-8]。无论哪种模型，决定了非线性特性的导电势垒都是起源于晶界层。晶界层的特性决定了势垒特性，也在很大程度上决定了动态伏安曲线的走势和趋向。要得到优良、稳定地动态伏安曲线，就要求晶界层的性能好，要求晶界层具有很高的热稳定性及电稳定性、并要求在结构上尽可能分布均匀。

一般采用式（1.1）和（1.2）所示为ZnO电阻片中电流密度和电压梯度幅值间的对应关系，通常称为静态伏安特性，可表示为式（1.3）。即电压幅值U是电流幅值I的函数。实际上在冲击电流作用下，电压幅值不仅与电流幅值有关，而且还与其变化率有关，可表示为式（1.4）即动态伏安特性的电压幅值是电流幅值和变化率的函数[9]。

J=AEα（1）

J=J N（E/E N）α（2）

U=f（I）（3）

U=f（I，d i/d t）（4）式（1）中J为电流密度；E为电流强度；A为与电阻材料和结构尺寸有关的常数；α为非线性指数。式（2）中：J N为标称电流密度（通常为1mA/cm2），EN 为标称电流密度下的电场强度。式（3）中：U为电压；I为电流。

2实验和分析

2.1实验样品与测试方法

选择同一厂家生产的同一型号同尺寸的产品

不同脉冲电流作用下氧化锌压敏电阻伏安特性分析

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