金屬氧化物（MOV）在交直流熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)參數(shù)的變化

周 藝，于 毅，孫倩倩，董 濤，姜習(xí)斌

（威海市氣象局，山東 威海 264200）

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金屬氧化物（MOV）在交直流熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)參數(shù)的變化

周 藝，于 毅，孫倩倩，董 濤，姜習(xí)斌

（威海市氣象局，山東 威海 264200）

摘要：針對金屬氧化物（MOV）在交直流熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)參數(shù)變化的問題，基于肖特基勢壘、線性鏈老化理論，利用熱穩(wěn)定試驗(yàn)箱以及壓敏電阻直流參數(shù)儀，研究了金屬氧化物在交直流熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)壓敏電壓、非線性系數(shù)α及溫度的變化特征。研究表明，MOV在工頻電流作用下，穩(wěn)定性會(huì)受到很大影響，甚至?xí)绊懫淇估纂娔芰?；MOV在交直流作用下，其微觀晶胞結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生重組，從而改變其電學(xué)特性；MOV在施加間歇性交流電時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增多，也會(huì)發(fā)生老化，表現(xiàn)為溫升更快，動(dòng)態(tài)電阻降低速度更快。

關(guān)鍵詞：金屬氧化物；壓敏電阻；非線性系數(shù)；溫度

引言

隨著中國防雷減災(zāi)事業(yè)的不斷發(fā)展，電涌保護(hù)器（SPD）安全問題越來越受到重視。MOV型電涌保護(hù)器的非線性性質(zhì)、殘壓限制水平等參數(shù)在現(xiàn)代防雷電電涌研究中受到了國內(nèi)外研究人員大量關(guān)注[1]。目前國內(nèi)有很多學(xué)者對電涌保護(hù)器耐受能力以及劣化前后靜態(tài)參數(shù)的變化進(jìn)行了分析。楊仲江等[2]利用熱穩(wěn)定試驗(yàn)箱以及壓敏電阻直流參數(shù)儀，對限壓型SPD的耐受能力進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)MOV在交直流電壓下的耐受能力與熱容量和散熱能力有關(guān)。張欣等[3]建立了MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗模型，對片徑和熱熔穿電流對MOV瞬時(shí)散熱能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，MOV散熱能力與片徑與電流的大小有一定的關(guān)系。應(yīng)達(dá)等[4]根據(jù)壓敏電阻伏安特性以及雙肖特基勢壘理論，研究了工頻電壓對壓敏電阻的影響，發(fā)現(xiàn)了電源型SPD的瞬態(tài)過電壓與電壓梯度有關(guān)，還與通流容量、能量耐受密度等有關(guān)。張欣等[5]利用工頻電壓耐受下的氧化鋅壓敏電阻沖擊老化試驗(yàn)，研究了不同沖擊電壓作用下氧化鋅壓敏電阻老化情況。國內(nèi)還有一些學(xué)者[6-10]采用靜態(tài)參數(shù)來判定壓敏電阻劣化程度。

根據(jù)氧化鋅壓敏電阻伏安特征以及肖特基勢壘、線性鏈老化理論，利用熱穩(wěn)定試驗(yàn)箱以及壓敏電阻直流參數(shù)儀，研究了金屬氧化物在交直流熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)壓敏電壓、非線性系數(shù)α及溫度的變化特征。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 肖特基勢壘理論

在老化的初期，以正偏勢壘中電子的大量注入以及勢壘的增高為主，此時(shí)的晶界層并未遭受破壞。然而由于電場的持續(xù)作用，晶界處的陷阱注滿，仍有電子緩慢地往陷阱流入導(dǎo)致勢壘發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致勢壘高度的降低，電子受熱激發(fā)越過勢壘所需要的能量也逐漸降低。此時(shí)的晶界層已逐漸開始遭到破壞，ZnO晶粒的穩(wěn)定性也明顯下降。

1.2 線性鏈老化理論

ZnO 壓敏電阻的顯微結(jié)構(gòu)是由晶粒和包裹晶粒形成不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的晶界所組成，等效電路可以視為線性晶粒電阻RG和可變晶界電阻RZNR串聯(lián)， 隨著勢壘高度的降低， 晶界電壓也降低，電流產(chǎn)生的高溫加快了氧氣沿晶格的擴(kuò)散，使得聚積在晶界處的鋅離子與氧離子發(fā)生反應(yīng)生成中性的ZnO晶格，ZnO晶格在性能上是穩(wěn)定的，形成不可恢復(fù)的線性晶界。

2 實(shí)驗(yàn)方法

選取某廠家同樣規(guī)格（32D，561K，10KA）的ZnO壓敏電阻閥片4片（即圓片直徑為32mm，能夠承受10kA的8/20us脈沖的沖擊，按照IEC62305規(guī)定，其壓敏電壓在561V±10％，漏流在20uA之內(nèi)），測試其初始靜態(tài)參數(shù)壓敏電壓U1mA，非線性系數(shù)α，泄漏電流Iie，并標(biāo)記。

對1號片持續(xù)施加2分鐘20mA的直流電（20mA電流為IEC62305規(guī)定的熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)電流值），結(jié)束后待其冷卻，測試其各靜態(tài)參數(shù)，之后重復(fù)此操作直至閥片受損（即靜態(tài)參數(shù)超過規(guī)定或閥片發(fā)生破裂）或?qū)嶒?yàn)重復(fù)次數(shù)達(dá)到40次。同樣，對2號片持續(xù)施加4分鐘20mA的直流電，結(jié)束后待其冷卻，測試其各靜態(tài)參數(shù)，之后重復(fù)此行為直至閥片受損或?qū)嶒?yàn)重復(fù)次數(shù)達(dá)到40次。對3號片持續(xù)施加2分鐘20mA的交流電，結(jié)束后待其冷卻，測試其各靜態(tài)參數(shù)，之后重復(fù)此操作直至閥片受損或?qū)嶒?yàn)重復(fù)次數(shù)達(dá)到40次。最后對4號片持續(xù)施加4分鐘20mA的交流電，在其中60s，120s，180s，240s記錄閥片溫度和電壓，結(jié)束后待其冷卻，測試其各靜態(tài)參數(shù)，之后重復(fù)此操作直至閥片受損或?qū)嶒?yàn)重復(fù)次數(shù)達(dá)到40次。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為各實(shí)驗(yàn)樣片的壓敏電壓U1mA隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化關(guān)系曲線。從圖中可以明顯看出以下幾個(gè)特點(diǎn)：

圖1　4個(gè)實(shí)驗(yàn)樣片的壓敏電壓U1mA隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化關(guān)系曲線

（1）在首次實(shí)驗(yàn)之后，各樣品的壓敏電壓有明顯的較大幅度的提升，其中1號閥片壓敏電壓由初始的562.2 V變?yōu)?69.3 V，2號閥片從初始的564.1 V變?yōu)?72.3 V，3號閥片由初始的561.8 V變?yōu)?68.5 V，4號閥片由初始的558.8 V變?yōu)?65.4V。這說明新樣品在經(jīng)受過交直流實(shí)驗(yàn)后電性發(fā)生明顯變化，哪怕通電時(shí)間很短。同時(shí)也說明了工頻電流的熱積累對于閥片有巨大影響，可能影響其對雷電流的限壓能力。

（2）在實(shí)驗(yàn)過程中，各樣品壓敏電壓都處于上升隨后穩(wěn)定的趨勢，1號閥片壓敏電壓后期存在一定的下降，這種變化趨勢與沖擊實(shí)驗(yàn)類似，說明了在沖擊老化實(shí)驗(yàn)中的雙肖特基勢壘理論亦適用于此實(shí)驗(yàn)的研究。

（3）在實(shí)驗(yàn)中，2號閥片在第13次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生絕緣層破裂，這說明即使在散熱很好的情況下長期的工頻電流也會(huì)對閥片性能造成影響。各種雜散電流會(huì)致使閥片內(nèi)部晶胞界面受損，穩(wěn)定性降低，從而造成絕緣層破裂，給被保護(hù)設(shè)備帶來潛在的安全隱患。

圖2為4個(gè)實(shí)驗(yàn)樣片的非線性系數(shù)α隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化關(guān)系曲線。從圖中可以，同一樣片在施加同種程度的電流后，非線性系數(shù)趨于某一穩(wěn)定值。如1號閥片趨于64.4，接近于初始值64.7；2號閥片趨近于66.2，比初始值65.1略高；3號閥片趨于48，比初始值54.5明顯偏?。?號閥片趨近于56，也比初始值62.9明顯偏小。

圖2　4個(gè)實(shí)驗(yàn)樣片的非線性系數(shù)α隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化關(guān)系曲線

表1為第4號實(shí)驗(yàn)樣片首次實(shí)驗(yàn)時(shí)各時(shí)刻點(diǎn)的溫度以及端子間電壓，表2為第4號樣片末次實(shí)驗(yàn)時(shí)各時(shí)刻點(diǎn)的溫度以及端子間電壓，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得到以下信息：

（1）在常規(guī)的熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)中，在初始階段，閥片的溫升較快，如表1中前60s，閥片溫度分別由23.5℃上升至63.2℃，23.4℃上升至75.6℃；在后期，溫度上升緩慢，如表1中180s～240s，閥片溫度分別由113.7℃上升至132.7℃，122.2℃上升至138.4℃。說明在實(shí)驗(yàn)初期，主要以閥片的吸熱過程為主；而在后期，由于環(huán)境溫差較大，閥片開始大幅度散熱。同時(shí)，從表1，表2中可以看出，在交流電的持續(xù)作用下，閥片的穩(wěn)定性下降，尤其是散熱能力下降很多。

表1　第4號樣片首次實(shí)驗(yàn)時(shí)各時(shí)刻點(diǎn)的溫度以及端子間電壓

表2　第4號樣片末次實(shí)驗(yàn)時(shí)各時(shí)刻點(diǎn)的溫度以及端子間電壓

（2）在首末兩次實(shí)驗(yàn)中，閥片兩端的電壓減小速率的變化不大但略有提高，這說明在實(shí)驗(yàn)過程中仍然伴隨有緩慢的老化和離子遷移，然而其老化速度相對于常規(guī)的熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)是很慢的，這也充分說明了及時(shí)散熱對于延長MOV閥片壽命具有重要作用。在交流電產(chǎn)生的電場作用下，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)的閥片內(nèi)部肖特基勢壘中的電子更為活躍，易發(fā)生遷移，從而MOV非線性鏈越來越容易轉(zhuǎn)化為線性鏈，轉(zhuǎn)化速度加快，宏觀表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)電阻降低更快。

4 結(jié)論

對4片氧化鋅壓敏電阻閥片，在20mA的交直流作用下，研究了金屬氧化物在交直流熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)壓敏電壓、非線性系數(shù)α以及溫度的變化特征。得出以下結(jié)論：

（1）MOV在工頻電流作用下，穩(wěn)定性會(huì)受到很大影響，甚至?xí)绊懫淇估纂娔芰Γ?/p>

（2）MOV在交直流作用下，其微觀晶胞結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生重組，從而改變其電學(xué)特性；

（3）MOV在施加間歇性交流電時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增多，也會(huì)發(fā)生老化，表現(xiàn)為溫升更快，動(dòng)態(tài)電阻降低速度更快。

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作者簡介：周藝（1990—），女，山東威海人，本科，助理工程師，主要從事防雷服務(wù)工作。

收稿日期：2015-07-17

中圖分類號：TG115

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1005–0582（2016）01–0037–04