关于电涌保护的一些知识

关于电涌保护的一些知识

摘要：探讨了电涌保护器（SPD）应用中的4个颇有争议的问题，这就是SPD的响应时间、多级SPD的动作顺序、不同波形冲击电流的等效变换以及SPD的残压与冲击电流峰值的关系。最后说明了SPD应用中各电压之间的相互关系。
关键词：电涌保护器　响应时间　冲击电流　防雷保护

1前言
电涌保护器(SPD)是抑制由雷电、电气系统操作或静电等所产生的冲击电压，保护电子信息技术产品必不可少的器件。随着各种电子信息技术产品越来越多地渗入到社会和家庭生活的各个领域，SPD的使用范围日益扩大，市场需求量日益增长。
总的来说，电子信息技术产品的过电压保护还是一个新的技术领域，两相关于SPD的国际标准IEC61643-1和IEC61643-21发表才几年，有关SPD应用中的许多问题还存在着争议，本文就其中的4个问题提出笔者个人的看法，以期引起讨论。它们是：SPD的响应时间，多级SPD的动作顺序，不同波形冲击电流的等效变换以及SPD的残压与冲击电流峰值的关系。最后对SPD应用中各个电压之间的相互关系作了说明。
2SPD的响应时间
不少人错误地认为，响应时间是衡量SPD保护性能的一个重要指标，制造厂也在其技术资料中列明了这一参数，但许多制造厂并不知道它的确切含义，也未进行过测量。一个流行的观点是，在响应时间内，SPD对入侵的冲击无抑制作用，冲击电压是"原样透过"SPD而作用在下级的设备上。这不符合SPD的是工作情况，是错误的。
SPD中对冲击过电压起抑制作用的非线性元件，按其工作机理可区分为"限压型"（如压敏电阻器、稳压二极管）和"开关型"（如气体放电管、可控硅）。
氧化锌压敏电阻器是一种化合物半导体器件，其中的电流对于加在它上面的电压的响应本质上是很快的。图1位美国GE公司用不带引线的压敏电阻进行抑制冲击电压的实验所得到的示波图[1]。图中的曲线1是不加压敏电阻时的冲击电压，曲线2是被压敏电阻抑制后的波形。由图可以清楚地看出，氧化锌压敏电阻抑制冲击电压作用的延时小于1ns。
那么，以前的技术资料中所说的用压敏电阻构成的SPD响应时间r≤25ns是怎么回事呢？
这是技术标准IEEEC62.33-1982[2]中定义的响应时间，它是一个用来表征"过冲"特性的物理量，与通常意义上的响应时间是完全不同的另外一个概念。为了说明这一点，下面将IEEEC62.33-1982第6.3条款引述如下（见图2）。
IEEEC62.3(6.3)电压过冲（UOS）。在冲击电流波前很陡、数值又很大时，测量带引线压敏电阻的限制电压的结果表明，它大于以8/20标准波时的限制电压（图2的Uc）。这种电压增量UOS称作"过冲"。尽管压敏电阻材料本身对陡冲击的响应时间有所不同，但差别不大。造成过冲的主要原因是在器件的载流引线周围建立起了磁场，该此磁场在器件引线和被保护线路之间的环路中，或者在引线与模拟被保护线路的测量电路之间的环路感应出电压。
在典型的使用情况下，一定的引线长度是不可避免的，这种附加电压将加在压敏电阻器后面的被保护线路上，所以在冲击波波前很陡而数值又很大的条件下测量限制电压时，必须认识到电压过冲对于引线长度和环路耦合的依赖关系，而不能把过冲作为器件内在的特性来看待。
近几年来发表的国际电工委员会关于SPD的技术标准IEC61643-1和IEC6163-21都没有引入响应时间这一参数：IEEE技术标准C62.62-2000[]更明确指出，波前响应的技术要求对SPD的典型应用而言是没有必要的，可能引起技术要求上的误导，因此如无特别要求，不规定该技术要求，也不进行试验、测量、计算或其他认证。这是因为：
（1）对于冲击保护这一目的而言，在规定条件下测得的限制电压，才是十分重要的特性。
（2） SPD对波前的响应特性不仅与SPD的内部电抗以及对冲击电压起限制作用的非线性元件的导电机理有关，还与侵入冲击波的上升速率和冲击源阻抗有关，连接线的长短和接线方式也有重要影响。
笔者认为，对于电源保护用SPD，以下三项技术指标是重要的：①限制电压（保护电平）；②通流能力（冲击电流稳定性）；③3连续工作电压寿命。
3多级SPD的动作顺序
当单级SPD不能将入侵的冲击过电压抑制到规定保护电平以下时，就要采用含有二级、三级或更多级非线性抑制元件的SPD。
图3是个两级保护SPD的例子。图中非线性元件Rv2和Rv2都是压敏电阻，实用中RV1也可以使气体放电管，Ｒv2也可以是稳压管或浪涌抑制二极管（TVS管）。两极之间的隔离元件Zs可以是电感Ls或电阻Rs，若RV1和RV2的导通电压分别是Un1和Un2，所选用的元件总是Un2> Un1。
有人认为，当入侵冲击波加在X-E端子上时，总是第一级RV1先导铜，然后才是第二级。实际上，第一级或第二级先导通都是可能的，这取决于以下因素：
(1) 入侵冲击波的波形，主要是电流波前的声速（di/dt）；
(2) 非线性元件Rv1和RV2的导通电压Un1和Un2的相对大小；
(3) 隔离阻抗Zs的性质是电阻还是电感，以及它们的大小。
当Zs为电阻Rs时，多数情况是第二级先导通。第二级导通后，当冲击电流I上升到iRs＋Un2 ≥Un1是第一级才导通。第一级导通后，由于在大电流下第一级的等效阻抗比Rs加第二级的等效阻抗之和小得多。因而大部分冲击电流经第一级泄放，而经第二级泄放的电流则要小得多。若第一级为气体放电管，它导通后的残压通常低于第二级的导通电压Un2，于是第二级截止，剩余冲击电流全部经第一级气体放电管泄放。
若Zs为电感Ls，且侵入电流一开始的上升速度相当快，条件Ls(di/dt)＋Un2>Un1得到满足,则第一级先导通。若第一级导通时的限制电压为Uc1(1),则以后随着入侵冲击电流升速(di/dt)的下降，当条件UC1(1) ≥Ls (di/dt)＋Un2得到满足时，第二级才导通。第二级导通后，将输出端Y的电压，抑制在一个较低的电平上。
4 不同波形冲击电流的等效变换
SPD的冲击电流试验会碰到诸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么从对于SPD的破坏作用等效的角度看，如何进行不同波形冲击电流的峰值换算，有人主张按电荷量相等的原则进行换算。按照这一原则，只要将两种不同波形的电流波对时间积分，求得总的电荷量，令两个电荷量相等，就可得到两种波的电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法与泄放冲击电流的元件没有一点关系，显然是不切合实际的。还有人主张按能量相等的原则进行换算。按照这一原则，不仅要知道两个电流波形，还要知道当这两个电流波流入电压抑制元件时，该元件两端限制电压的波形，然后将各个时刻对应的电流值和电压值相乘而得出功率波，再将功率波对时间积分得出能量，令两个能量值相等，就可得到两个电流峰值之间的比例关系了。这种变换方法考虑到了具体的非线性元件，但没有考虑冲击电流的热效应和电流值很大时的电动力效应。实际上就氧化锌压敏电阻而言，它能承受的8/20冲击电流的能量比承受2ms时的能量大，如图4所示[4]。该图表明了厚度为1.3mm的早期压敏电阻样品能承受的冲击电流能量随电极面积的变化。可见，能量相等的原则至少对压敏电阻是不适用的。
对氧化锌压敏电阻在大电流下破坏机理的研究得出了下述结果[4]；在大电流作用下，压敏电阻的破坏模式有两种（见图5），当大冲击电流的时间宽度不大于50μs时（例如4/10和8/20波），电阻体开裂；当电流值较小而时间宽度大于100μs时（例如10/350、10/1000和2ms波），电阻体穿孔。两种不同破坏模式可以这样解释：时间很短的大电流在电阻体内产生的热量来不及向周围传导，是个绝热过程，加上电阻体的不均匀使电流的分布不均匀，这样电阻体不同部位之间的温差很大，形成很大的热应力而使电阻体开裂。当冲击电流的作用时间较长时，电阻体不均匀造成的电流集中，使电阻体材料熔化而形成穿孔。
图5的实验曲线表明，使用压敏电阻体破坏的电流密度J(A·cm-2)与冲击电流波的时间宽度r（μs）之间的关系，在双对数坐标中大体为一条斜率为负值的直线，因而可用下面的方程式来表达：
logJ=C－Klogr
式中，C和K是与具体器件相关的两个常数，可以根据实验资料推算出来，于是就可以计算出这种产品能够承受的不同波形冲击电流的峰值了。
综上所述，对于以压敏电阻作为非线性抑制元件的SPD，为进行不同波形冲击电流之间的等效变换，应以两种不同波形（例8/20、10/350）的冲击电流对所选定的压敏电阻进行试验，分别得出使试样失效的两个电流峰值，代入上式，求得常数C和K的具体数值，然后利用该公式进行计算。试验式不一定进行到样品开裂或穿孔，可将压敏电压变化达到-10%作为失效判据。
应当指出，就是不同企业、不同批次的压敏电阻器，尽管尺寸规格相同，但实际能承受的冲击电流（能量）的水平可能相差很大，因此必须对每批供货逐批抽样检验。
5SPD的残压与冲击电流峰值关系
IEC61643-1对SPD限制电压的测量方法作了这样的规定：若测试信号为8/20电流波，则要求在标称放电电流In的0.1、０.2、0.5、1.0和2.0倍下测出残压值，且正反向都必须测量，然后做出残压-电流风流值的拟合曲线，取曲线上的最高点作为SPD的限制电压值。若测试信号为组和波，则要求在开路电压U 0.1、0.2、0.5和1.0倍下测出残压值，且正反向都必须测量，以测得残压值中的最高值作为SPD的限制电压值。这意味着SPD的最高残压值不一定发生在最大冲击电流下的时候。当SPD中有电抗组件（例如L－C低通滤波器）的时候，可观测到小冲击电流下的残压高于大冲击电流下的残压的情况，证明了IEC61643-1的这种规定的合理性。若已经确切地知道了SPD中没有电抗，而仅由限压型或开关型非线性元件，以及两端口SPD中的隔离元件不是电感而时电阻的话，则因为这类SPD的最高残压总是发生在冲击电流峰值大的时候，因此，只要在最大电流峰值下测定即可。
还应指出，当以8/20电流波测量压敏电阻的残压时，电流波达到峰值Ip的时刻ti，与电压波达到峰值Up的时刻tu并不重合，tu先于ti(见图6（a）)。这是由压敏电阻本身的特性所决定的，前面讲到，当冲击过电压侵入时，压敏电阻从"绝缘"变成"导通"的响应时间不超过1ns，但导通电阻从大到小，达到稳态值则需要较长的时间。也就是说，在8/20电流波的作用时间内，压敏电阻的电阻值r还在不断减小，而电压波是每一时刻的电流值I与该时刻的电阻值r相乘所形成的，因而电压波的峰点与电流波的峰点不会在同一时刻出现。
压敏电阻的8/20冲击电流试验中，经常会看到如图6（b）所示的电压波，即一开始有一个尖峰，且波顶明显下倾。这不是压敏电阻的真实限制电压波，而是放电电流的辐射干扰电压L 迭加在正常限制电压上的结果。
6SPD应用中的电压关系
在低压电源保护用SPD的应用中，涉及到多个电压值，易于混淆。掌握这些电压之间的相互关系，对于正确使用SPD十分重要。
SPD的应用涉及到供电电源、冲击源、SPD和被保护对象等4个环节，协调好这4个环节的电压关系是SPD应用技术中的一个重要课题。对于以压敏电阻作为非线性元件的低压电源用SPD，可用图7来表示各种电压之间的相对大小关系。
对于供电电源，不仅要注意系统电压的正常波动范围，更要注意供电系统故障时的最高暂态过电压（TOV），希望这个电压低于SPD允许的最大持续工作电压。不同的供电系统，其TOV值时不相同的，确定具体供电系统可能出现的TOV是个复杂的问题，也是电源保护用SPD应用中的一个难点。
就SPD本身而言，要考虑它的直流参考电压（压敏电压U ）和标称放电电流下的保护水平。SPD与放电电流相关的电压有3个，即残压、限制电压和保护水平。它们相互关联，但又有区别。IEC61643-1对这3个名称作了这样的区分：残压--放电电流流过时，SPD端子电压的峰值；限制电压--最大残压值（例如，同一只SPD，其正向和反向的残压值可能不相同，而以大值作为它的限制电压）；保护水平--对每一种型号规格的SPD所规定的一个数值，该数值从技术标准的优先值中选取，SPD的实际限制电压值都不应大于这个规定的保护水平。对于被保护对象，要确定它允许的冲击耐压值。
应用SPD的一个基本要求是SPD的保护水平应低于被保护对象的允许冲击耐压值。从这一要求出发，在应用中倾向于选用限制电压和直流参考电压低的SPD。但另一方面，对压敏电阻器而言，直流参考电压越高，在TOV条件线损坏的概率就越小，承受电源系统电压应力的工作寿命也越长，从这方面考虑，在应用中又倾向于选用直流参考电压高的SPD。
显然，上面两个方面的要求是互相矛盾的，在实际工作中应做折衷处理。特别是当被保护对象允许的冲击耐压与电源系统电压差距不大时，SPD直流参考电压的选定，是个困难的课题，有时不得不采取一些特殊的措施。