残压、限制电压和电压保护水平

1前言

电涌保护器(SPD)是抑制由雷电、电气系统操作或静电等所产生的冲击电压，保护电子信息技术产品必不可少的器件。随着各种电子信息技术产品越来越多地渗入到社会和家庭生活的各个领域，SPD的使用范围日益扩大，市场需求量日益增长。

总的来说，电子信息技术产品的过电压保护还是一个新的技术领域，两相关于SPD的国际标准IEC61643-1和IEC61643-21发表才几年，有关SPD应用中的许多问题还存在着争议，本文就其中的4个问题提出笔者个人的看法，以期引起讨论。它们是：SPD的响应时间，多级SPD的动作顺序，不同波形冲击电流的等效变换以及SPD的残压与冲击电流峰值的关系。最后对SPD应用中各个电压之间的相互关系作了说明。

2SPD的响应时间

不少人错误地认为，响应时间是衡量SPD保护性能的一个重要指标，制造厂也在其技术资料中列明了这一参数，但许多制造厂并不知道它的确切含义，也未进行过测量。一个流行的观点是，在响应时间内，SPD对入侵的冲击无抑制作用，冲击电压是“原样透过”SPD而作用在下级的设备上。这不符合SPD的是工作情况，是错误的。

SPD中对冲击过电压起抑制作用的非线性元件，按其工作机理可区分为“限压型”（如压敏电阻器、稳压二极管）和“开关型”（如气体放电管、可控硅）。

氧化锌压敏电阻器是一种化合物半导体器件，其中的电流对于加在它上面的电压的响应本质上是很快的。图1位美国GE公司用不带引线的压敏电阻进行抑制冲击电压的实验所得到的示波图[1]。图中的曲线1是不加压敏电阻时的冲击电压，曲线2是被压敏电阻抑制后的波形。由图可以清楚地看出，氧化锌压敏电阻抑制冲击电压作用的延时小于1ns。

那么，以前的技术资料中所说的用压敏电阻构成的SPD响应时间r≤25ns是怎么回事呢？

这是技术标准IEEEC62.33-1982[2]中定义的响应时间，它是一个用来表征“过冲”特性的物理量，与通常意义上的响应时间是完全不同的另外一个概念。为了说明这一点，下面将IEEEC62.33-1982第6.3条款引述如下（见图2）。

IEEEC62.3(6.3)电压过冲（U OS）。在冲击电流波前很陡、数值又很大时，测量带引线压敏电阻的限制电压的结果表明，它大于以8/20标准波时的限制电压（图2的U c）。这种电压增量U OS称作“过冲”。尽管压敏电阻材料本身对陡冲击的响应时间有所不同，但差别不大。造成过冲的主要原因是在器件的载流引线周围建立起了磁场，该此磁场在器件引线和被保护线路之间的环路中，或者在引线与模拟被保护线路的测量电路之间的环路感应出电压。

在典型的使用情况下，一定的引线长度是不可避免的，这种附加电压将加在压敏电阻器后面的被保护线路上，所以在冲击波波前很陡而数值又很大的条件下测量限制电压时，必须认识到电压过冲对于引线长度和环路耦合的依赖关系，而不能把过冲作为器件内在的特性来看待。

近几年来发表的国际电工委员会关于SPD的技术标准IEC61643-1和IEC6163-21都没有引入响应时间这一参数：IEEE技术标准C62.62-2000[]更明确指出，波前响应的技术要求对SPD的典型应用而言是没有必要的，可能引起技术要求上的误导，因此如无特别要求，不规定该技术要求，也不进行试验、测量、计算或其他认证。这是因为：

（1）对于冲击保护这一目的而言，在规定条件下测得的限制电压，才是十分重要的特性。（2）SPD对波前的响应特性不仅与SPD的内部电抗以及对冲击电压起限制作用的非线性元件的导电机理有关，还与侵入冲击波的上升速率和冲击源阻抗有关，连接线的长短和接线方式也有重要影响。

笔者认为，对于电源保护用SPD，以下三项技术指标是重要的：①限制电压（保护电平）；②通流能力（冲击电流稳定性）；③3连续工作电压寿命。

3多级SPD的动作顺序

当单级SPD不能将入侵的冲击过电压抑制到规定保护电平以下时，就要采用含有二级、三级或更多级非线性抑制元件的SPD。

图3是个两级保护SPD的例子。图中非线性元件R v2和R v2都是压敏电阻，实用中R V1也可以使气体放电管，Ｒv2也可以是稳压管或浪涌抑制二极管（TVS管）。两极之间的隔离元件Z s可以是电感L s或电阻R s，若R V1和R V2的导通电压分别是U n1和U n2，所选用的元件总是U n2> U n1。

有人认为，当入侵冲击波加在X-E端子上时，总是第一级R V1先导铜，然后才是第二级。实际上，第一级或第二级先导通都是可能的，这取决于以下因素：

(1)入侵冲击波的波形，主要是电流波前的声速（di/dt）；

(2)非线性元件R v1和R V2的导通电压U n1和U n2的相对大小；

(3)隔离阻抗Z s的性质是电阻还是电感，以及它们的大小。

当Zs为电阻R s时，多数情况是第二级先导通。第二级导通后，当冲击电流I上升到iR s＋U n2≥U n1是第一级才导通。第一级导通后，由于在大电流下第一级的等效阻抗比R s加第二级的等效阻抗之和小得多。因而大部分冲击电流经第一级泄放，而经第二级泄放的电流则要小得多。若第一级为气体放电管，它导通后的残压通常低于第二级的导通电压U n2，于是第二级截止，剩余冲击电流全部经第一级气体放电管泄放。

若Z s为电感L s，且侵入电流一开始的上升速度相当快，条件L s(di/dt)＋U n2>U n1得到满足,则第一级先导通。若第一级导通时的限制电压为U c1(1),则以后随着入侵冲击电流升速(di/dt)的下降，当条件U C1(1) ≥L s (di/dt)＋U n2得到满足时，第二级才导通。第二级导通后，将输出端Y的电压，抑制在一个较低的电平上。

4 不同波形冲击电流的等效变换

SPD的冲击电流试验会碰到诸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么从对于SPD 的破坏作用等效的角度看，如何进行不同波形冲击电流的峰值换算，有人主张按电荷量相等的原则进行换算。按照这一原则，只要将两种不同波形的电流波对时间积分，求得总的电荷量，令两个电荷量相等，就可得到两种波的电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法与泄放冲击电流的元件没有一点关系，显然是不切合实际的。还有人主张按能量相等的原则进行换算。按照这一原则，不仅要知道两个电流波形，还要知道当这两个电流波流入电压抑制元件时，该元件两端限制电压的波形，然后将各个时刻对应的电流值和电压值相乘而得出功率波，再将功率波对时间积分得出能量，令两个能量值相等，就可得到两个电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法考虑到了具体的非线性元件，但没有考虑冲击电流的热效应和电流值很大时的电动力效应。实际上就氧化锌压敏电阻而言，它能承受的8/20冲击电流的能量比承受2ms时的能量大，如图4所示[4]。该图表明了厚度为1.3mm