中心議題:
- 壓敏電阻的工作原理及失效機(jī)理
- 單獨(dú)采用過流保護(hù)方式應(yīng)對壓敏電阻失效的現(xiàn)狀分析
- 推薦應(yīng)對壓敏電阻失效的合適方案
解決方案:
- 采用溫度管理
- 全模保護(hù)
- 采用熱保護(hù)型壓敏電阻
基于壓敏電阻的工作與失效機(jī)理,闡述了單獨(dú)采用過電流保護(hù)方式應(yīng)對壓敏電阻失效的弊端,并提出了壓敏電阻失效的最佳保護(hù)方式為過溫保護(hù)。
1 .引言
隨著科技的不斷發(fā)展,物質(zhì)生活的不斷豐富,各式各樣的家用電器已經(jīng)成為人們?nèi)粘I畋夭豢缮俚慕M成部分。我們在享受各種功能繁多的家用電器給生活帶來方便的同時(shí),也存在著家用電器巨大的安全隱患,我們經(jīng)常可以在媒體上看到關(guān)于各種家用電器的安全問題引發(fā)的事故,主要有:火災(zāi)事故、爆炸事故及廢舊電池等對環(huán)境造成污染事故等。引起火災(zāi)事故的發(fā)生又多與壓敏電阻失效后未能及時(shí)脫離電路,造成系統(tǒng)電源不同程度的短路有關(guān),本文主要淺述單獨(dú)采用過電流保護(hù)方式應(yīng)對壓敏電阻失效的弊端,并提出了壓敏電阻失效的最佳保護(hù)方式為過溫保護(hù)。
2 .壓敏電阻的工作原理及失效機(jī)理
氧化鋅壓敏電阻器MOV 是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物,典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件。MOV 具有獨(dú)特的晶界結(jié)構(gòu),在一定電場下,晶界導(dǎo)電由熱電子發(fā)射傳導(dǎo)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮铀淼纻鲗?dǎo),其電阻值隨著電壓的增大而急劇減小,具有優(yōu)異的非線性伏安特性,那么,當(dāng)家用電器所接的電源中存在過電壓時(shí),MOV 晶界電子隧道效應(yīng)抑制過電壓峰值增長,吸收部分過電壓能量,從而起到防護(hù)作用,MOV 具有高通流容量,低殘壓,無續(xù)流且成本較低等優(yōu)點(diǎn),已被首選使用在家用電器的電源入口作為過電壓保護(hù)元件。
MOV 具有很高的瞬時(shí)(納秒級或微妙級)過電壓抑制能力,但在暫時(shí)(毫秒級或秒級)過電壓、過電流或頻繁的浪涌電流沖擊下,MOV 較容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象。
MOV 的失效主要有兩種模式,一種為開路模式,該模式主要發(fā)生在MOV 流過遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自身能夠承受的浪涌電流時(shí),表征為MOV 本體炸裂,但這種模式不會引起燃燒現(xiàn)象,且出現(xiàn)在家用電器中概率是很低的;另一種為短路模式,大體上可分為老化失效和暫態(tài)過電壓破壞兩種類型:
a、老化失效,這是指電阻體的低阻線性化逐步加劇,漏電流惡性增加且集中流入薄弱點(diǎn),薄弱點(diǎn)材料融化,形成1kΩ 左右的短路孔后,電源繼續(xù)推動一個(gè)較大的電流灌入短路點(diǎn),形成高熱而起火。研究結(jié)果表明, 若壓敏電阻存在著制造缺陷,易發(fā)生早期失效, 強(qiáng)度不大的電沖擊的多次作用,也會加速老化過程,使老化失效提早出現(xiàn);
b、暫態(tài)過電壓破壞,這是指較強(qiáng)的暫態(tài)過電壓使電阻體穿孔,導(dǎo)致更大的電流而高熱起火,整個(gè)過程在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。
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短路失效是引起壓敏電阻起火燃燒的主要原因,從而導(dǎo)致家用電器發(fā)生火災(zāi)事故,以下是MOV在不同過電流試驗(yàn)后失效圖片(參照UL1449 3rd 39.4 條款測試):
圖1:MOV14D471 在600V*320mA 電流試驗(yàn)后圖 圖2:MOV14D471 在600V*500mA 電流試驗(yàn)后圖
圖3:MOV14D471 在600V*1A 電流試驗(yàn)后圖片 圖4:MOV14D471 在600V*2A 電流試驗(yàn)后圖片
圖5:MOV14D471 在600V*5A 電流試驗(yàn)后圖片 圖6:MOV14D471 在600V*10A 電流試驗(yàn)后圖片
圖7:MOV14D471 在600V*15A 電流試驗(yàn)后圖片 圖8:MOV14D471 在600V*20A 電流試驗(yàn)后圖片
說明:圖4、圖6 為人為切斷電路后的照片;圖1~3、圖5、圖7~8 為未人為切斷電路前的照片。
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3 單獨(dú)采用過流保護(hù)方式應(yīng)對壓敏電阻失效的現(xiàn)狀分析
3.1 壓敏電阻MOV 與電流保險(xiǎn)絲FUSE 的浪涌電流承受能力對比,見表1
表1
3.2 家用電器電路設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及矛盾
圖9:空氣調(diào)節(jié)器典型電路設(shè)計(jì)(截圖)之一
圖10:空氣調(diào)節(jié)器典型電路設(shè)計(jì)(截圖)之二
從圖9、圖10 反映了目前家用電器電路設(shè)計(jì)的習(xí)慣思路,在MOV 前端置放了電流保險(xiǎn)絲fuse,浪涌電流從電源端輸入后先經(jīng)過FUSE,再由流經(jīng)MOV.如此有兩個(gè)矛盾存在:
a、MOV 與FUSE 的最大浪涌承受能力的矛盾,如表1 中所示;電路設(shè)計(jì)時(shí),如果為了滿足MOV 的浪涌電流承受能力時(shí),就必須提高FUSE 的額定電流值,這樣過大的電流額定值將嚴(yán)重降低對后置電路的過流保護(hù)效果,火災(zāi)隱患倍增;反之,為了保證FUSE 對后置電路的過流保護(hù)效果,就得按需要選擇較小的額定電流值,同時(shí)也大幅減低了整個(gè)電路的浪涌承受能力,在客戶使用過程中將出現(xiàn)FUSE 很容易斷開。
b、引起MOV 燃燒的擊穿電流與FUSE 的斷開電流的矛盾。
如圖1~圖8 所示, 不管MOV 的浪涌承受能力的大小,MOV 在不同的過電流下就會引起高溫、冒煙甚至燃燒;FUSE 只在MOV 因暫時(shí)過電壓作用下、擊穿電流快速增大到2 倍的FUSE額定電流時(shí)才能迅速斷開電流;如果是MOV 老化引起的壓敏電壓逐漸下降,MOV 的漏電流緩慢增加而引發(fā)的MOV 燃燒,此時(shí)的FUSE 將無法斷開電路。
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4 推薦應(yīng)對壓敏電阻失效的合適方案
4.1 壓敏電阻失效表征特點(diǎn)為本體溫度快速上升,采用溫度管理是最有效方式
壓敏電阻實(shí)際上是一種具有非線性伏安特性的敏感元件,在正常電壓條件下,這相當(dāng)于一只小電容器,而當(dāng)電路出現(xiàn)過電壓時(shí),它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通,其工作電流增加幾個(gè)數(shù)量級,從而有效地保護(hù)了電路中的其它元器件不致過壓而損壞,它的伏安特性是對稱的,如圖(11)a 所示。這種元件是利用陶瓷工藝制成的,它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)如圖(11)b 所示。微觀結(jié)構(gòu)中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍的晶界層。其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈N 型半導(dǎo)體,晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài),這樣每一微觀單元是一個(gè)背靠背肖特基勢壘,整個(gè)陶瓷就是由許多背靠背肖特基墊壘串并聯(lián)的組合體。
圖(11)a 伏安特性曲線 圖(11)b 內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)
圖12 是壓敏電阻器的等效電路。 氧化鋅晶粒的電阻率很低,而晶界層的電阻率卻很高,相接觸的兩個(gè)晶粒之間形成了一個(gè)相當(dāng)于齊納二極管的勢壘,這就是一壓敏電阻單元,每個(gè)單元擊穿電壓大約為3~3.5V,如果將許多的這種單元加以串聯(lián)和并聯(lián)就構(gòu)成了壓敏電阻的基體。串聯(lián)的單元越多,其擊穿電壓就超高,基片的橫截面積越大,其通流容量也越大。壓敏電阻在工作時(shí),每個(gè)壓敏電阻單元都在承受浪涌電能量。
圖12 壓敏電阻等效電路
壓敏電阻的缺點(diǎn)是易老化,大多數(shù)情況下P-N結(jié)過載時(shí)會造成短路且不可回轉(zhuǎn)至正常狀態(tài),在電沖擊的反復(fù)多次作用下壓敏電阻內(nèi)的二極管元件被擊穿,電阻體的低阻線性化逐步加劇,壓敏電壓越來越低,漏電流越來越大,隨著MOV 本體溫度的升高,漏電流更大,形成惡性循環(huán),以至MOV 的溫度升高達(dá)到外包封材料的燃點(diǎn),這種情況稱之為高阻抗短路(1kΩ 左右),焦耳熱使得MOV 發(fā)熱增加且集中流入薄弱點(diǎn),薄弱點(diǎn)材料融化,形成1kΩ 左右的短路孔后,電源繼續(xù)推動一個(gè)較大的電流灌入短路點(diǎn),形成高熱而起火。研究結(jié)果表明, 若壓敏電阻存在著制造缺陷,易發(fā)生早期失效, 強(qiáng)度不大的電沖擊的反復(fù)多次作用,也會加速老化過程,使老化失效提早出現(xiàn)。這是通過試驗(yàn)?zāi)軌蜃C明的。
因此可見,壓敏電阻的失效前兆是其溫度的快速提升,溫度的提升速度快于漏電流的提升速度,故采用溫度管理方式來及時(shí)判斷壓敏電阻的性能是最為合適了。采用溫度管理保護(hù)壓敏電阻的方式有機(jī)械脫扣方式、溫度保險(xiǎn)絲切斷電路方式等,其保護(hù)效果的關(guān)鍵在于熱的采集、傳遞速度,最佳的熱保護(hù)方式能夠讓因失效而處于過度發(fā)熱的壓敏電阻及時(shí)地脫離電路,從而避免連環(huán)式火災(zāi)的產(chǎn)生。
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4.2 熱保護(hù)型壓敏電阻的優(yōu)點(diǎn)
具有合金型溫度保險(xiǎn)絲(thermal cutoff)的壓敏電阻器(MOV),稱之為熱保護(hù)型壓敏電阻器(thermally protected metal oxide varistor 以下簡稱為TMOV),是將合金型溫度保險(xiǎn)絲與壓敏電阻以最近距離的串聯(lián)方式集合成一體,能夠確保溫度保險(xiǎn)絲即時(shí)吸取壓敏電阻所發(fā)的熱量,以在壓敏電阻著火前快速切斷電路。此時(shí)流經(jīng)壓敏電阻的漏電流還不夠大,不足以切斷電流保險(xiǎn)絲。
與壓敏電阻相串聯(lián)的合金型溫度保險(xiǎn)絲,具有與壓敏電阻的最大浪涌承受能力Imax 相當(dāng)?shù)耐髁俊?br />
以下是TMOV 在不同過電流試驗(yàn)后失效圖片(參照UL1449 3rd 39.4 條款測試):
圖13:TMOV10S471 在600V*0.5A 電流試驗(yàn)后圖片 圖14:TMOV10S471 在600V*2.5A 電流試驗(yàn)后圖片
圖15:TMOV10S471 在600V*5A 電流試驗(yàn)后圖片 圖16:TMOV10S471 在600V*10A 電流試驗(yàn)后圖片
說明:圖13~16 為TMOV 中TCO 斷開后的照片,斷開時(shí)間曲線請見圖17:
圖17:TMOV 受限電流測試曲線
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4.3 全模保護(hù)的必要性
家用電器都是以單相供電的,現(xiàn)狀中大都只在相線與中性線之間接一只壓敏電阻器作為過電壓保護(hù)元件,這種保護(hù)模式稱之為橫向保護(hù)、也稱為差模保護(hù)模式。僅有差模保護(hù)是不夠的。
電源浪涌并不僅源于雷擊,當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障、投切大負(fù)荷時(shí)都會產(chǎn)生電源浪涌,電網(wǎng)綿延千里,不論是雷擊還是線路浪涌發(fā)生的幾率都很高。當(dāng)遠(yuǎn)方發(fā)生了雷擊時(shí),雷擊浪涌通過電網(wǎng)光速傳輸,經(jīng)過變電站等衰減,到各家庭時(shí)可能仍然有上千伏以上的高壓,雖然時(shí)間很短,也足以損壞家用電器以及IT 電源等設(shè)備中的半導(dǎo)體器件。這種通過相線、中線傳輸而來的電壓對地線形成了縱向過電壓,必須把這個(gè)縱向過電壓抑制下去,以防止電子電路的絕緣受到破壞,這種保護(hù)稱為縱向保護(hù)、也稱為共模保護(hù)。
雷擊主要引起縱向過電壓,當(dāng)在下列情況時(shí)雷擊可引起橫向過電壓:
a、各線對地的阻抗不一致,通常情況下中性線與地線為低阻抗(這與低壓配電系統(tǒng)的接地制式有關(guān)),因此,相線與中性線之間可能有較高的橫向過電壓;
b、當(dāng)縱向過電壓保護(hù)器的動作不一致時(shí),各線間會引起較高的橫向過電壓。
電網(wǎng)本身因素主要是操作過電壓,即電源開關(guān)(特別是較大感性負(fù)載的電源開關(guān))動作時(shí)引起的橫向過電壓。此電壓的高低主要由開關(guān)后的負(fù)載大小來決定??照{(diào)等都可引起較高的、對設(shè)備有害的過電壓。
因此,我們認(rèn)為,對于家用電器而言,最好的模式是采用全模保護(hù),即共模保護(hù)加差模保護(hù)。
不過應(yīng)當(dāng)指出,在建筑物的內(nèi)部一定要有地線。
值得慶幸的是,現(xiàn)在的新的建筑物內(nèi)都設(shè)計(jì)有地線了。
4.4 推薦采用熱保護(hù)型壓敏電阻的兩種典型電路
圖18 采用TMOV 的全模保護(hù)電路
圖19
說明:
a、 TMOV1~3 中溫度保險(xiǎn)絲TCO 能承受的最大放電電流與相串聯(lián)的壓敏電阻MOV 的最大放電電流相當(dāng);
b、如果僅需采用橫向保護(hù)(差模保護(hù))的話,圖中的TMOV1、TMOV2 可去除;
c、不用考慮圖中后置的電流保險(xiǎn)絲fuse 的浪涌通流量,其電流額定值的選定僅需考慮后續(xù)電路中的過流保護(hù)。
5 結(jié)束語
本文分析證明了單獨(dú)采用過流保護(hù)應(yīng)對壓敏電阻失效是片面的,不能有效避免火險(xiǎn)隱患的產(chǎn)生,應(yīng)該采用熱保護(hù)模式才能將失效了的壓敏電阻從電路中及時(shí)有效脫離開,且讓電流保險(xiǎn)絲的作用專注于電路中精準(zhǔn)的過流保護(hù),以確保用戶的安全。