不宜單獨(dú)用電流保險絲來應(yīng)對壓敏電阻的失效

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，也存在著家用電器巨大的安全隱患，我們經(jīng)?？梢栽诿襟w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，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(納秒級或微妙級)過電壓抑制能力，但在暫時(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，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，整個過程在較短時間內(nèi)發(fā)生。

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。

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 與電流保險絲FUSE 的浪涌電流承受能力對比，見表1[!--empirenews.page--]

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，如果為了滿足MOV 的浪涌電流承受能力時，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，同時也大幅減低了整個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 因暫時過電壓作用下、擊穿電流快速增大到2 倍的FUSE額定電流時才能迅速斷開電流;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，此時的FUSE 將無法斷開電路。

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，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流增加幾個數(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背靠背肖特基勢壘，整個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，相接觸的兩個晶粒之間形成了一個相當(dāng)于齊納二極管的勢壘，這就是一壓敏電阻單元，每個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，每個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)熱的壓敏電阻及時地脫離電路，從而避免連環(huán)式火災(zāi)的產(chǎn)生。

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，能夠確保溫度保險絲即時吸取壓敏電阻所發(fā)的熱量，以在壓敏電阻著火前快速切斷電路。此時流經(jīng)壓敏電阻的漏電流還不夠大，不足以切斷電流保險絲。

與壓敏電阻相串聯(lián)的合金型溫度保險絲，具有與壓敏電阻的最大浪涌承受能力Imax 相當(dāng)?shù)耐髁俊?/p>

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[!--empirenews.page--]

 

 

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，斷開時間曲線請見圖17:

 

 

圖17:TMOV 受限電流測試曲線

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，雷擊浪涌通過電網(wǎng)光速傳輸，經(jīng)過變電站等衰減，到各家庭時可能仍然有上千伏以上的高壓，雖然時間很短，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，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。空調(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有效脫離開，且讓電流保險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。