直流情况下基于瞬态热阻抗模型的MOV散热能力研究

张宏群，徐彬彬，，杨天琦

（1.南京信息工程大学 电子信息与工程学院，南京210044；2.南京市气象局 南京市气象服务中心，南京210009）

直流情况下基于瞬态热阻抗模型的MOV散热能力研究

张宏群1，徐彬彬1，2，杨天琦2

（1.南京信息工程大学 电子信息与工程学院，南京210044；2.南京市气象局 南京市气象服务中心，南京210009）

利用瞬态热阻抗模型，设计实验研究MOV芯片通过直流电时散热能力的变化特征，结果表明，在通过直流电时，MOV芯片的内部晶体势垒高度并不是直接下降的，存在一个"转折温度"，这个温度是势垒高度改变的转折点，低于此温度，势垒高度上升，高于此温度，才是单调下降的。根据此原理，可用直流电对MOV芯片进行合适时间的"预老化"，以增强其初始散热能力。

氧化锌压敏电阻；散热能力；热阻；瞬态热阻抗模型；电涌保护器；热熔穿

0 引 言

MOV芯片是电涌保护器（surge protection device，SPD）中重要的组成部分，其泄流能力、非线性水平、残压限制水平等都可以很好地满足SPD的性能要求。而MOV芯片制造成本相对低廉，故在实践中由MOV芯片制成的SPD占很大部分。在关于SPD的各种测试标准中，MOV型SPD的测试占据十分重要的篇幅。在相关研究中，对于MOV芯片性能的研究有很多。由于MOV芯片制成的SPD多工作与工频交流环境，这些对MOV芯片性能的研究多基于交流环境。唐宏科等[1]研究了SPD中MOV芯片由于交流电作用产生热量而脱扣的相关问题，庞驰等[2]指出避免SPD起火燃烧的关键在于使MOV芯片上累积的热量快速传导至热脱扣焊点使热脱扣装置动作。

刘艳辉等[3]分析了热量累积引起MOV起火的原因,提出运用温度保险丝对MOV进行过热保护的观点，使用温度保险丝作为电涌保护器内置脱扣装置，住处当脱扣时的温度小于130℃时,温度保险丝比低温焊锡具有一定的优越性。这些研究在宏观上研究了MOV芯片上的热量累积效应。

在MOV芯片微观热量累积的研究上，张欣等[4]设计实验，分析了相同片径的MOV芯片通过不同交流电流值时瞬态热阻抗值随温度的变化关系，指出MOV芯片热熔穿过程中，MOV芯片散热能力与通过电流值有关。张西元等[5]利用直流电对MOV的热稳定性和吸热能力进行了研究，确认直流造成的热效应比交流大，故研究MOV芯片在直流环境下的性能就十分重要。

1 瞬态热阻抗模型与实验设计

2 MOV热熔穿实验

MOV热熔穿试验的目的在于判断MOV的散热能力与哪些因素有关。当MOV芯片表面出现明显烧灼痕迹，可以认为该试样已发生热熔穿。采用同一厂家两种不同片径MOV芯片各9片共18片作为试验样品，按照片径大小分为S25组和S32组，角标表示芯片直径。将每组试样均分为3小组，即：S251、S252、S253和S321、S322、S323组。每个小组含 3片相同的芯片，在本文的试验中，试验数据为此3个相同芯片进行相同实验得到结果的平均值。

首先进行MOV芯片的静态参数测试，此测试的目的在于确定MOV芯片的初始性能，并据此判断MOV芯片进行热熔穿试验后热熔穿现象是否发生。使用CJ1001型压敏电压直流参数仪测试各组试样的压敏电压U1mA、漏电流IL和非线性系数α。得到各组静态参数如表1。

表1 各组试样的静态参数测试结果Table 1 The static parameters of the samples

在试验箱内温度为29℃时，采用直流热稳定仪对试验箱内的 S25（S251、S252、S253）和 S32（S321、S322、S323）组试验。每组通过的电流大小如表2所示。利用计算机采样电流值I、电压值U以及温度T。根据瞬态热阻抗的公式，Rt与功率以及温度相关。做出各组样品的功率与温度的关系如图1及图2所示。

表2 各组试样通过电流大小Table 2 The current of the samples

图1 S25组热熔穿试验后温度随时间变化Fig.1 Temperature change with time after hot melt wear test of set S25

图2 S32组热熔穿试验后温度随时间变化Fig.2 Temperature change with time after hot melt wear test of set S32

如图1所示。图中3条曲线分别是同样小片径的MOV试样，在通以40 mA、50 mA和60 mA的恒定交流电流时温度变化曲线，可以看出：片径相同的试样，通以不同电流，温度上升速率与通电电流大小成正比关系。对图2的分析同样能验证此结论。

将图1和图2的数据代入瞬态热阻抗模型的公式中，可以得到各组样品的瞬态热阻值。相同芯片不同的温度下瞬态热阻值不同，做出瞬态热阻值与温度的关系如图3、图4所示。

图3 S25组热阻随温度变化Fig.3 Thermal resistance change with temperature of set S25

图4 S32组热阻随温度变化Fig.4 Thermal resistance change with temperature of set S32

3 结果分析

对各种晶体的研究表明[9－12]，晶体内部的双肖特基势垒高度与温度有反比关系，温度升高，势垒高度下降。而势垒高度是物体阻碍散热的一个重要方面[4－5，13]，故从原理上来看，芯片的热阻应随着温度的升高而下降。

由图3可知，试样通过40 mA直流电时，热阻值在室温至50℃之间上升，并在56.7℃之前有一次明显的跃变过程，随后上升至72.1℃，然后才开始缓慢减小的过程，该过程才符合上述势垒高度的原理。同样地，试样通过50 mA直流电时，热阻值在室温至75℃之间上升，并在88.9℃之前有一次明显的跃变过程，随后上升至101.8℃，然后才开始缓慢减小；试样通过60 mA直流电时，热阻值在室温至111℃之间上升，并在121.8℃之前有一次明显的跃变过程，随后上升至101.8℃，然后才开始缓慢减小。从图4来看有类似的规律。

这种规律表示在通以直流电时，MOV芯片的内部晶体势垒高度并不是直接下降的，存在一个转折温度，在此温度之后势垒高度才是单调下降的。

相较于文献[7]中MOV芯片在交流电作用下瞬态热阻抗的变化特征，在直流环境下瞬态热阻抗的跃变现象更为明显。研究表明，MOV芯片的 “预老化”可对其耐冲击性能造成正面影响。本实验中，在温度达到跃变温度之前，等同于一个“预老化”过程，这个过程使得芯片的散热能力增强。

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Research on MOV Cooling Capability Based on Transient Thermal Impedance Model under DC Condition

ZHANG Hongqun1，XU Binbin1,2，YANG Tianqi2
（1.The School of Electronic Information and Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.Nanjing Meteorological Service Center，Nanjing Meteorological Bureau，Nanjing 210009，China）

Using the transient thermal impedance model，the design experiment is used to study the variation characteristics of the cooling capacity of MOV chip under DC，The results show that the internal crystal barrier height of the MOV chip is not directly decreased under DC，and there is a"turning temperature"，which is the turning point of the change of the barrier height，below this temperature，the barrier height rises，above this temperature，it is monotonically decreasing.According to this principle，DC can be used on the MOV chip for the appropriate time"pre－aging"to enhance its initial cooling capacity.

zinc oxide varistor；heat dissipation；thermal resistance；transient thermal impedance model；surge protective device；hot melt penetration

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.002

2016－02－19

张宏群（1982—），女，副教授，主要从事电子仪器及电涌保护研究。

国家自然科学基金项目（编号：41175003）；南京市气象科研开发项目（编号：NJ201408）。