氧化锌压敏电阻在直流环境下的老化机理研究

苑吉河，张 曦，黄雪昀，王远平，潘成刚

（1.国网重庆市电力公司南岸供电分公司，重庆401336；2.重庆恩信科技有限公司，重庆401122）

0 引言

电力系统是国民经济的重要命脉和发展动力。随着电力系统运行电压等级逐渐提高，系统日趋复杂，系统可靠性承受越来越大的挑战。雷电对电力系统具有较大的破坏作用，其造成的破坏可以分为直击雷破坏和雷电感应过电压破坏，其中直击雷破坏即雷电直接击中输电线路或电力设施及其附近造成的电力系统损坏。目前，直击雷对建筑物造成的损坏已经有较好的防护手段，一般使用滚球法树立避雷针进行防护[1-2]。对于雷电感应产生过电压造成的损坏，目前人们普遍使用过电压防护器件进行防护。在低压系统中，电涌保护器（Surge Protection Device，SPD）凭借着自身的优良非线性伏安特性、较大的通流能力，成为重要的过电压防护器件[3-6]。电涌保护器中核心元件是氧化锌压敏电阻片，其性能的优劣直接影响SPD防过电压效果。但SPD长期带电运行于线路中，内部氧化锌压敏电阻片会出现老化劣化现象，从而抑制过电压，泄放过电流的能力会减弱[7-8]。因此，对氧化锌压敏电阻的老化研究显得非常重要。

目前，国内外的学者们已经对氧化锌压敏电阻老化进行了大量工作。Eda等[9]人通过研究发现：在电流作用后氧化锌压敏电阻自身温度对热激电流影响较大，呈正比例关系。此外，压敏电阻的电容值会跟随介电常数的改变而改变。他们利用离子迁移理论对这种现象进行了解释。张从春等[10]在对离子迁移理论进行研究的基础上提出了线性链理论，系统的解释了氧化锌压敏电阻非线性消失现象。

笔者通过肖特基势垒理论对对直流电流作用下，氧化锌压敏电阻老化规律进行分析研究，从而更好的了解安装于直流线路中SPD老化情况。

1 氧化锌压敏电阻Schottky势垒模型

氧化锌压敏电阻在使用过程中发生畸变可以用Schottky势垒模型表示如下[10-11]。如图1（a）所示，氧化锌压敏电阻势垒平衡状态。此时，氧化锌压敏电阻尚未老化，势垒左右平衡。当遭受大电流冲击时，电子在界面积聚，形成电场，使得电子继续向电场反方向运动。在此过程中，不断有电子被捕获，晶界层为保持电中性而产生空穴，并使得晶界层内部电场增强，这加快了电子运动速度。在界面处，由于捕获电子数目较多，使得陷阱浓度较大，电子在运动一定距离后被全部捕获；存在于价带中的空穴同样可以被陷阱捕获，从而导致陷阱表面密度下降。在反偏势垒中，由于陷阱的存在，对刚注入的电子有一定的阻碍作用，导致空穴耗尽层变薄，界面空穴浓度增加，如图1（b）所示。

继续作用时，正偏晶界层处的陷阱将会被填满，由于电场作用继续移动过来的电子将会向深入移动，从而使得陷阱趋于饱和。当某次陷阱饱和后，零电场将向反偏晶界移动，这导致反方向形成的热刺激电流增大，与此同时，同样增大了反偏晶界的中性费米能级。而向晶界层深处的迁移空穴将会被内电场阻止，因此，Schottky势垒高度明显降低，如图1（c）。

图1 氧化锌压敏电阻Schottky势垒畸变过程Fig.1 The Distortion process of ZnO Schottky barrier

2 试验和分析

2.1 试验样品和测试仪器选择

试验选择同一厂家、同一批次相同型号的ZnO压敏电阻32R621K A、B，使用的静态参数测试仪为CJ1001测量压敏电阻，挑选静态参数相近的6片压敏电阻进行试验。32R621K A、B ZnO压敏电阻静态参数如表1所示，其中静态参数漏流IL为在0.75U1mA下通过压敏电阻的电流。在对ZnO压敏电阻进行老化试验时，使用恒流热稳定仪进行直流老化。

从表1中可以看出，氧化锌压敏电阻A1在未进行试验时，正向压敏电压和反向压敏电压相差为2.1 V，压敏电阻B1的U1mA相差仅1.2 V。这说明ZnO压敏电阻未老化前，不具有极性效应。正、负极性压敏电阻相差不大，内部晶粒结构分布均匀，肖特基势垒左右两边高度对称。

表1 ZnO压敏电阻静态参数Table 1 The static parameters of ZnO varistors

2.2 试验及数据分析

2.2.1 直流老化试验过程

试验接线图如图2所示，其中T1为可调变压器，T2为升压变压器，R为电阻，D为二极管，C为电容，Rv为试验氧化锌压敏电阻，在32R621K A两端分别施加10 mA、20 mA和30 mA直流电流，分别作用10、15、20、25和30 min后，冷却至室温后测量其静态数据，每次保持压敏电阻正向通电。在32R621K B压敏电阻两端施加电流方向正、负交替的直流电流，电流大小分别10 mA、20 mA和30 mA，分别作用10、15、20、25和30 min后，静置至室温后测量静态参数。

图2 试验接线图Fig.2 Wiring diagram of test

2.2.2 试验数据分析

表2和表3是32R621K A试验过程中，正、方向静态参数数据。图3为样品32R621K A试验过程中正、负向测量的压敏电压差图。

表2 样品32R621K A试验过程中ZnO压敏电阻U1mATable 2 The U1mAof 32R621k A ZnO varistor in the test process

通过表2，在正极性电流作用下，氧化锌压敏电阻正向压敏电压变化不大，但是反向测量其压敏电压时，压敏电压变化较大，说明氧化锌压敏电阻内部肖特基势垒壁已经不对称，出现了老化现象，且通过表2观察知，随着电流的加大，时间的加长，这种老化现象越加明显。通过图3结合表2知，氧化锌压敏电阻在直流电流正向作用下，产生明显的极性效应。此外，压敏电阻的极性效应和老化程度均随电流的增加而增大，当达到最高点时，出现减慢的现象。

图3 样品32R621K A试验过程中正、反向压敏电压差Fig.3 The difference between positive and negative U1mAof sample 32R621K A in the test process

表3 样品32R621K A试验过程中ZnO压敏电阻ILTable 3 The ILof 32R621k A ZnO varistor in the test process

此外，观察表3知，氧化锌压敏电阻漏电流呈现指数增长趋势。随着时间的加长和电流的加大，漏电流越大。这从另一方面说明氧化锌压敏电阻随着施加电流的加大以及施加时间的加长，老化越加明显。当在样品A上施加小电流、短时间时，氧化锌压敏电阻的老化现象并不明显，因为在老化前期，压敏电阻片吸收的能量很少，表面温度不高，内部晶界层晶界结构只能发生微小的变化，离子迁移不够活跃，在电阻片冷却恢复至室温的过程中，晶界结构得以恢复。而在压敏电阻老化后期，电阻片吸收了大量的能量，内部积聚较高的温度，产生较大的热刺激，使得内部晶界层中的离子活动非常活跃，增大了离子迁移率，导致势垒高度的降低；而当外施电压和温度一定时，势垒高度降低将导致漏电流的增大。长时间的大电流作用下，将会使得压敏电阻片结构发生改变，肖特基势垒高度降低，因此老化后期ZnO压敏电阻漏电流明显增大。

表4和表5是32R621K B压敏电阻正、负极性直流作用后，静态参数数据。从表可知，正、负极性电流作用下，参数变化与仅正向通电的样品A老化规律类似，但老化程度较小，极性效应有所缓解。样品B在正、负极性电流作用下，伏安特性极性效应减小，出现极性补偿现象。由表4可知，在老化后期压敏电压，正、负方向测量的压敏电压差值明显减小，表明压敏电阻在正、负极性交替作用下，极性效应逐渐减小。

表4 样品32R621K B ZnO压敏电阻U1mATable 4 The U1mAof 32R621k B ZnO varistor

正、负极性电流交替作用时，ZnO压敏电阻出现极性补偿现象，使得肖特基势垒高度下降不明显，导致压敏电阻老化程度较单一正极性电流作用下缓慢。

3 结论

针对直流电流作用下氧化锌压敏电阻老化问题，通过对氧化锌压敏电阻正极性和正、负极性直流交替作用下氧化锌压敏电阻老化规律进行了研究，得出以下结论：

1）氧化锌压敏电阻在直流电流单向作用下，产生明显的极性效应。此外，极性效应和老化程度均随电流的增加而增大，当达到最高点时，出现减慢的现象。

表5 样品32R621K B试验过程中ZnO压敏电阻ILTable 5 The ILof 32R621k B ZnO varistor in the test process

2）由于正、负极性电流交替作用时，ZnO压敏电阻出现极性补偿现象，使得肖特基势垒高度下降变慢，从而导致压敏电阻老化程度较单一极性电流作用下缓慢。

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