固体放电管在组合波发生器冲击下的性能分析

李祥超，董昌鑫，蔡露进，徐晓培，杨 悠，舒 璇

（南京信息工程大学 中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

固体放电管在组合波发生器冲击下的性能分析

李祥超，董昌鑫，蔡露进，徐晓培，杨 悠，舒 璇

（南京信息工程大学 中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

针对固体放电管在组合波发生器冲击下的性能问题，通过固体放电管原理的理论分析，利用理论与试验相结合的方法，采用组合波发生器对固体放电管进行冲击试验，得出：固体放电管的点火电压越高残压越高，并且残压是随冲击电压的增大而增大，点火电压在33.0 V～71.2 V之间的固体放电管承受浪涌的能力好，更耐用；固体放电管的通流与点火电压无关，具有泄放大电流的作用；固体放电管导通后处于低阻状态，具有的限压作用，点火电压越小的固体放电管吸收的能量越多，越有利于设备的保护。该结论在电涌保护器的应用中有一定参考价值。

固体放电管；能量配合；残压

0 引言

在科技飞速发展的时代，人们对电子化产品的需求和期望日益加深，电子仪器、设备的精进使得它们对自然雷击等异常电压十分敏感，随之而来的防雷击抗浪涌问题便占据了人们的视线。气体放电管是常见的电涌保护器元件，但它却有着自身响应时间慢、瞬态电流小的缺点。固体放电管是一种新颖的瞬态过压开关型保护器件 ，它具有起动快、寿命长、参数一致性好、通态压降低、对称性好的优点，而其精确导通、无限重复和快速响应的优越性能更是气体放电管等保护器件所远不及的。因此对固体放电管的研究应用，能更有效的保护设备安全[1-8]。

国内外学者已经对固体放电管做过大量实验及理论研究工作[9-17]：王晓明、孙兆冲等人对采用固体放电管作为主开关的发生器，增加固体放电管的组合模块提高输出电压，晶闸管组合模块有对负载的单向、双向和续流3种放电工作模式等方面进行了研究[9]。李维波、饶金等人提出利用它构建强脉冲功率投切开关，并用软件构建试验回路的仿真建模，分析阻容吸收回路参数对晶闸管过电压的影响特性[10]。以上研究者对固体放电管在电路中的应用做出了充分的研究，对固体放电管大部分是在电路中与其它器件配合使用的研究。根据实测，点火电压不同的固体放电管对电压的敏感程度也不一样，因此有必要对固体放电管在遭受不同电压冲击下的残压、能量等特征进行研究。

笔者采用组合波发生器对固体放电管进行冲击试验，研究其主要技术参数随着冲击电压的变化趋势，以及对固体放电管产生的吸收能量做出分析。总结出固体放电管在冲击过程中残压及能量吸收的变化规律。

1 固体放电管原理

为了了解固体放电管中开关的物理过程，先采用由两只晶体管组成的等效模型来代替固体放电管的pnpn结构。通常，只是利用能将pnpn结构从概念上分解为两个晶体管的方法。相邻pn结的相互影响，可以通过晶体管的作用，用已知的关系来描述。等效模型本身能相当完美地解释固体放电管的重要特性和推导典型的规律。并且，它还有可以比较简单地概括物理过程的优点。此时，这个模型可以通过实验直接比较而得到验证。

1.1 固体放电管等效模型

这个模型可用下列方法得到：设想按照图1（a），沿虚线，把固体放电管的两个基区剪开随后用导线互相连接起来，如图1（b）所示。在这个图中，去掉由基区上分开的靠外的p和n层区域，因为现在它对电流没有效用，这样就可以得到图1（c）所示的等效模型。它由一个pnp晶体管组成，并按上述方式互相连接起来。

在固体放电管的导通方向，正电压加于下面的p区即阳极上。两边的pn结J1和J3处于正向，因此此处p区相对于n区都是正的；与此相反，中间的pn结J2则处于反向。

图1 用分割法把固体放电管结构分解成由两个晶体管组成的等效模型的步骤Fig.1 The solid discharge tube structure are divided into the equivalent model which is composed of two transistors steps by segmentation method

由于处于正向，J1和J3结向领近的基区注入少数载流子，起着发射极的作用，而处于反向偏置的J2结则起着集电极的作用。所以在等效模型中，一个晶体管的集电极总是和一个晶体管的基区连接在一起的。

1.2 分析瞬态过程的方法

1.2.1 准稳态处理

当固体放电管由一个稳态过渡到另一个稳态时，各中性区中剩余载流子浓度就会发生变化。这一变化一部分通过产生-复合过程来实现，一部分通过载流子输运，而这里主要是通过扩散来实现的。这个过程要持续一定的时间，因此，原则上将导致载流子分布落后于和当时的电流相应的稳态分布。假如在新稳态分布的调整过程只有产生-复合过程起主要作用，那未延迟时间将与载流子寿命的数量级相同，如果运输过程起主要作用，则延迟时间将与载流子通过基区的渡越时间的数量级相同。

对于在过渡时间中电流本身只有很少变化的情况，t0时真正的载流子分布 Δp（t0）和稳态分布 Δp稳态之间的差别实际上是可以忽略的。

这样，t0时存在的情况就和电流 I稳态=I（t0）下的稳态情况一样了。因此，通过pn结J2的电流可以像稳态情况下一样，通过电流平衡来确定，见图2。

图2 在载流子渡越时间内阳极电流很少变化的情况下，固体放电管中的电流Fig.2 The current in the solid discharge tube when the anode current is rarely changed during the carrier transit time

在忽略J2势垒区中的载流子倍增的情况下，得到

1.2.2 电流快速变化情况下的电流平衡

从麦克斯韦方程出发，可以得到最一般的结论是，总电流的发散量为零。因此，在时间t时载流子的传导电流和位移电流的总和在固体放电管内每个x 位置处都是同样大的。 根据图3，用 Ip（x3，t）表示时间t时由n基区通过x3扩散至J2的空间电荷区的空穴电流，相应地用 In（x4，t）表示由 p 基区通过 x4向J2流的电子电流，并且假设，载流子在势垒区J2中渡越时间是非常小的，那末xJ2处的平衡式为

图3 一般情况下，固体放电管中的瞬态电流Fig.3 In general case，transient current in the solid discharge tube

在准稳态情况下，IP（x3，t）可以用 J1的瞬时发射极电流 I（x2，t）来表示，即 Ip（x3，t）=α1I（x2，t）。 但是，在电流快速变化的情况下，由于有限的载流子渡越时间，在时间t那个刚刚发生的发射极电流变化还不能完全影响集电结J2边缘x3处的载流子浓度梯度。因此，空穴电流Ip（x3，t）在很大程度上由原先的发射极电流变化来决定。

2 试验方案及试验数据的分析

2.1 试验方案

通过组合波发生器自0.1 kV起依次增大冲击电压，施加于固体放电管进行冲击试验。试验选用P0080E、P03C、P06C、P07B四种型号的固体放电管，用静态测试仪测得它们的点火电压分别为13.1 V、33.0 V、71.2 V、81.1 V，实验原理如图4所示。利用Tektronix TDS 2022B型示波器分别采集各型号固体放电管的通流和残压。

图4 试验原理图Fig.4 Test schematic diagram

2.2 试验数据分析

图5 固体放电管两端残压和通流的波形图Fig.5 Oscillogram of the flow passage and residual voltage on both ends of the solid discharge tube

冲击电压为 0.8 kV 时，P0080E、P03C、P06C 三种型号固体放电管的通流和残压波形如图5所示。其中图（a）～（c）依次是点火电压为 13.1 V、33.0 V、71.2 V的固体放电管通流和残压波形图。图5（d）是冲击电压为0.1 kV时，放电电压为81.1 V的P07B型固体放电管的通流和残压波形图。曲线A为冲击后的残压曲线，曲线B为冲击后的通流曲线。

由图5 （a）、（b）、（c） 可知当冲击电压为 0.8 kV时，P0080E、P03C、P06C固体放电管的通流峰值分别为318 A、320 A、325 A，波形大致相同，均是经冲击后逐渐上升至峰值，然后下降到零，图5（a）与（b）图的通流波形变化趋势相差不大，只是上升沿时间有些微不同，图5（c）比图5（a）、（b）两图的上升沿时间长，冲击后通流的变化趋势相比图5（a）、（b）的通流跨度大，波形持续时间长，上升至峰值及下降也较平缓。在电涌条件下通过短路使主要保护器失效是合乎需要的，这样就防止了电涌进一步的扩展。当电涌大大超过固体放电管的承受容量时，固体放电管将突然失效，据实测P07B型固体放电管对电压异常敏感，稍有过甚便会损坏，所以图5（d）选取冲击电压较低且不至于造成固体放电管损坏时的波形图，即图（d）所示冲击电压为0.1 kV时，P07B固体放电管的通流峰值为75 A，通流趋势也是先上升后下降趋于零。由固体放电管的pnpn结构可知，一旦开通后，基本固体放电管将保持导通很小的电流。固体放电管要求用大的电流关断。通过一个PN结电极的阻性分流能获得大关断电流。据理论可知P型材料对阴极有阻性分流，N型材料对阳极有阻性分流。当顶部阳极电极相对于底部阴极为正时，便出现开关特性。固体放电管的开关特性分为4个部分，断态区从原点延伸至击穿起始点，断态电流是结反向电流和所有表面漏电流的总和。击穿区时从电压—电流特性的高动态电阻的低电流部分开始变化，至显著的低动态电阻区、电流剧增的区域。最终，当固体放电管正反馈出现足以激活开通时，该区域终止。由于伴随固体放电管激活的结雪崩击穿，使该区域是低电阻特性。负电阻区是一个动态状态，固体放电管正反馈随时间而真加导致电流增加，这引起固体放电管两端的电压降低，直至达到通态状态。通态区完全正反馈的固体放电管通过的电流产生最低电压降。刚好维持通态的最小电流，低于该电流会导致固体放电管关断。根据实测所得波形图可得在进行冲击后，固体放电管迅速导通，这时近乎于短路，可以保护设备达到快速消除浪涌的目的。

图中波形可看出在前几微秒内固体放电管的电流有极小的振荡，变化并不大，此时处于固体放电管工作状态的断态区，固体放电管两端的电压并没有达到导通电压，固体放电管呈高阻状态，但它本身也具有半导体器件的性质，会有少量的漏电流流过，因此形成小幅度的电流变化。当电压超过点火电压时，进入击穿区在正向载流子的作用下，出现雪崩状态，此时电压增加并引起电流急剧增加，通流波形开始逐渐上升。之后是负电阻区，电压继续增大，流过固体放电管的通流增大，但电压开始减小。最后进入通态区，此时3个PN结全部变为正偏，导通大电流，而器件处于低阻的状态。各型号的固体放电管波形趋势相差不大与点火电压的大小无关。

在经电压冲击后，因冲击电压超过点火电压，处于图中冲击后较高的残压，但仅维持极短的时间，之后据理论固体放电管导通状态下残压为PN结电压，并且多次放电，可使残压保持不变。可得出固体放电管的电压响应速度十分快速。图中电压波形均是在经冲击后快速响应，并维持电压在一个稳定的值持续一段时间，待浪涌消失后，波形平缓趋于零，固体放电管自动回复到初始时的截止状态。

图6 能量图Fig.6 Energy diagram

图7为各型号固体放电管的残压随冲击电压变化的曲线图，横坐标为冲击电压自0 kV到20 kV依次增加，纵坐标为残压。据图可得出随冲击电压的增大，P0080E的残压变化范围在6 V～30 V，P03C的残压变化范围在6 V～68 V，P06C的残压变化范围在15 V～24 V，P07B的能量变化范围在26 V～32 V。各固体放电管的残压变化趋势均随冲击电压的增大而增大，点火电压越高的固体放电管残压越高，图中曲线可看出P03C和P06C的残压数据较另外两个的多且变化范围大并不易损坏，由此可得点火电压在33.0 V～71.2 V之间的固体放电管能承受浪涌的能力好，寿命长，更耐用。

图7 残压图Fig.7 Residual voltage figure

通过上表1来分析通流与开通时间在不同点火电压的固体放电管下产生的关系。可得出由于固体放电管的工作状态导通前的断态区，使得通流的变化总是稍滞后于残压的变化，虽然固体放电管的点火电压不同，但通流值却相差并不是很大，只有小幅度的变动。因此我们得出结论：通流值的变化与固体放电管的开通时间长短及点火电压的大小没有太大关系。这也证明了固体放电管在其中起到大电流泄放的作用。

表1 各型号固体放电管的通流及开通时间的试验结果Table 1 The test results of flow and opening time of each type of solid discharge tube

3 结论

通过固体放电管原理及试验结合，详细地对固体放电管的能量、残压等进行了分析研究，通过冲击试验得出用不同点火电压的固体放电管时的通流值、残压值的关系，并对以上试验数据对比分析，得出如下结论：

1）固体放电管为pnpn型结构，在试验中有4个工作状态，在过浪涌条件下固体放电管能迅速导通短路，使设备得到保护。P0080E、P03C、P06C、P07B的残压变化范围分别是 6 V～30 V、6 V～68 V、15 V～24 V、26 V～32 V，各固体放电管的残压随冲击电压的增大而增大，点火电压越高的固体放电管残压越高，点火电压在33.0 V～71.2 V之间的固体放电管承受浪涌的能力好，寿命长，更耐用。

2）实验表明，在换用点火电压不同的固体放电管的试验中，通流值相差不大，均在50 kA～460 kA之间变化；可得出通流值的变化与固体放电管的点火电压大小没有太大关系。这也证明了固体放电管具有泄放大电流的作用。

3）随冲击电压的增大，P0080E、P03C、P06C、P07B 的能量变化范围分别是 4 J～67 J、5 J～32 J、3 J～18 J、3 J～5 J，点火电压越小的固体放电管吸收的能量越多，能量变化范围也比较大。点火电压过高的固体放电管吸收的能量越少，能承受的浪涌的能力也越低，更容易损坏。固体放电管导通后处于低阻状态，体现了它所具有的限压作用。固体放电管的点火电压越小，它吸收的能量越多，越有利于设备的保护。

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Performance Analysis of Solid Discharge Tube under Impulse of Combination Wave Generator

LI Xiangchao， DONG Changxin， CAI Lujin， XU Xiaopei， YANG You， SHU Xuan
（Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）

According to the performance of solid discharge tube under the impulse of the combination wave generator， the conclusions are obtained， based on the combination of the theoretical analysis on solid discharge tube principle and the impulse test by wave generator impulse current generator on solid discharge tube.It is concluded that:the residual voltage of solid discharge tube voltage is increased with the ignition voltage，and the residual voltage is increased with the impulse voltage，the solid discharge tube has good ability and more durable when the discharge voltage is between 33.0 V～71.2 V；The flow of the tube is independent of the ignition voltage and has the function of dropping high current;The solid discharge tube is still in low－resistance after working and has the ability of limited voltage，the less the ignition voltage is the more the energy absorbed by the solid discharge tube，thus the better effect of protection for equipment.The results have reference for the application of surge protective device （SPD）.

solid discharge tube； energy cooperation； residual voltage

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.02.001

2015－11－13

李祥超 （1969—），男，副教授，主要从事电涌保护器研发与测试。

973国家重点基础研究计划 （编号：2014CB441405）。