提高限压型电源SPD脱离器的动作灵敏度

唐 斌 郑捷曾

唐 斌:深圳科安达电子科技股份有限公司 工程师 518055广东深圳

郑捷曾:深圳科安达电子科技股份有限公司 工程师 518055广东深圳

限压型电源SPD被广泛应用于各种电子、电器设备的雷电防护。从使用安全考虑，电源SPD中设有脱离器，可以防止或减少各类事故。作为限压型电源SPD核心部件的氧化锌压敏电阻，因其失效时多呈短路状态，因此，安装在电源线上的限压型电源SPD在失效前应及时脱离被保护电路，避免工频短路电流通过SPD引发事故。由此可见，SPD内脱离器动作时间 (灵敏度)是一个重要的指标，而如何提高限压型电源SPD的脱离器动作灵敏度是广大SPD制造商所期望解决的问题。

1 限压型电源SPD失效原因分析

限压型电源SPD失效类型，大体可分为部件老化失效和遭遇暂态过电压破坏2种。

1．部件老化失效，是指SPD的压敏电阻因使用时间过长、受到超负荷的雷电流冲击或者本身存在缺陷，造成压敏电阻的漏电流逐渐增加且集中流入薄弱点，将薄弱点材料融化后形成短路孔，并随着流入短路孔的工频电流不断增大，最终形成热崩溃而击穿损坏。由于老化是一个渐进的过程，流过压敏电阻的电流是逐步增加的，在压敏电阻内有热的积累和传递过程而出现热平衡，只要脱离器的热熔接点与压敏电阻有良好的接触，就有足够的时间让脱离器动作，这可以通过氧化锌压敏基片的小电流试验得以证实。

以34S621K的压敏电阻作为试验的主体，将压敏电阻的裸片焊接好电极，采用垂直悬空的方式连接在热稳定试验台上，然后进行小电流试验。图1是采用80 mA进行热稳定试验的时间-温度曲线。

图1 80mA电流试验时间－温度曲线

根据图1分析可以看出:当在压敏电阻两端加载恒定的80 mA电流时，其整体温度基本上是随时间变化呈线性均匀上升，经过54 s的时间，整个压敏电阻的温度达到316.0℃，这时，芯片上焊接金属电极片的焊锡已经完全熔化，压敏芯片与金属电极片彻底脱离。从该试验来看，在压敏电阻加载小电流的初始阶段，压敏电阻基本不会出现击穿现象，并且基片温度能够随时间的延长而逐渐升高，如果在压敏电阻上串接热敏脱离器，并设置热熔脱离温度在150℃ ～180℃之间，这样压敏电阻在被热击穿前就有足够的时间脱离电路。

2．暂态过电压破坏，是指当电网出现故障或电源电压异常波动时，有较强的、持续时间较长的过电压施加在SPD上，使流经SPD的工频电流瞬间增大，造成压敏电阻瞬间击穿、崩溃，导致更大的工频电流涌入SPD，出现局部高热、甚至起弧的现象。这种情况可以通过压敏电阻的大电流试验进行分析。

同样采用34S621K的压敏电阻作为试验的主体，将压敏电阻的裸片焊接好电极，采用垂直悬空的方式连接在热稳定试验台上，然后施加10 A的工频电流，压敏电阻基片6 s击穿后，延长10 s断电。通过试验发现，压敏电阻芯片在大电流的作用下，从温升到击穿的时间非常短暂，且瞬间出现局部高热或起弧，此时热敏脱离器可能因热熔接点温度不够而未动作。

为避免或减少这种情况的发生，目前采取的办法是在限压型电源SPD前串接32～120 A断路器或熔断器，即在断路器或熔断器动作前，可能存在32～120 A左右的工频电流涌入SPD。为了安全，此时就需要设置高灵敏度的脱离器，使SPD能及时脱离线路。

2 限压型电源SPD脱离器设计原理

为了进一步提高脱离器的灵敏度，首先要分析压敏电阻的内部结构。如图2所示，压敏电阻由氧化锌晶粒形成的芯片和2个电极及其引线组成，其中每个氧化锌晶粒都相当于一个可以双向导通的半导体器件。当SPD导通后，电流从一个电极均匀地流经每个氧化锌晶粒到达另一个电极，此时每个氧化锌晶粒都会产生热量，使压敏电阻温度升高，电流越大，升温越快。利用压敏电阻导通后自身发热的原理，就可在SPD中设置热敏脱离器，让脱离器的热敏接点与压敏电阻牢靠接触，用低温金属材料进行电气连通，将低温金属材料的融化温度设置在合理范围，当压敏电阻的温升达到设定点时，动作脱离器，使SPD脱离被保护线路。

3 脱离器设置位置对动作灵敏度的影响

限压型电源SPD导通后，其压敏电阻中间部位的温度高于四周的温度，将脱离器设置在中间部位的灵敏度明显高于设置在周边，可以通过如下试验来证实。

图2 压敏电阻内部结构示意图

为了保证压敏电阻在脱离器能够动作前不被击穿损坏，施加在压敏电阻上的试验电流为320 mA。将一组脱离器设置在压敏电阻的中间部位，另一组设置在边缘部位，每组都分别用5个压敏电阻，分别逐一施加320 mA电流，试验时观察记录下脱离装置的动作时间，如表1所示。

表1 脱离器设置在压敏电阻不同部位动作反应时间记录表 s

从表1可以看出，脱离器设置在中间部位的动作反应时间明显小于设置在边缘部位。这是由于压敏电阻导通后产生的热量在中间部位不易向外界散发，导致中间部位的温度高于其他部位，脱离器的热敏熔接点能快速吸收到热量而融化，从而更快地发生动作。

4 提高SPD脱离器灵敏度的一种方案

根据上述试验，可设计一种脱离器安装在压敏电阻内部中间位置，达到提高灵敏度的目的。

如图3所示，将2个压敏电阻芯片叠层设置，一个电极设置在中间，并在其中一个压敏电阻芯片上中间部位开孔，将该电极引出;用一金属连接片将两压敏电阻芯片的另一面连接起来，形成另一个电极，热脱离装置的热熔接点设置在从中间开孔引出的电极上。压敏电阻导通后，内部的热量由中间向外围传递散发，中间部位的热量积累最大、温度最高。当电源SPD在使用中遭受过电压、大电流导通时，由于脱离器的热熔接点能在温度最高部位吸收到热量，因此具有最快的动作时间。由此可见，设置在中间位置上的脱离器动作灵敏度会大大提高，使SPD能及时脱离保护电路，进一步提高安全性。

图3 热脱离装置设置在压敏电阻内部示意图

5 结束语

提高限压型电源SPD在使用中的安全性能有多种方法，提高其串联脱离器动作灵敏度是一种解决措施。随着科学技术的进步，电源SPD的安全性能将不断提高。本文提出的观点和方法，希望能起到抛砖引玉的作用。

［1］ 刘细华．电源SPD的热稳定试验在实际运行中的意义［J］ ．半导体器件应用，2010(3)．