不同波形沖擊電流的等效變換——電涌保護(hù)器應(yīng)用中的幾個(gè)問題的探討

不同波形沖擊電流的等效變換
　　SPD的沖擊電流試驗(yàn)會(huì)碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對(duì)于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進(jìn)行不同波形沖擊電流的峰值換算，有人主張按電荷量相等的原則進(jìn)行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對(duì)時(shí)間積分，求得總的電荷量，令兩個(gè)電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點(diǎn)關(guān)系，顯然是不切合實(shí)際的。還有人主張按能量相等的原則進(jìn)行換算。按照這一原則，不僅要知道兩個(gè)電流波形，還要知道當(dāng)這兩個(gè)電流波流入電壓抑制元件時(shí)，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對(duì)時(shí)間積分得出能量，令兩個(gè)能量值相等，就可得到兩個(gè)電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法考慮到了具體的非線性元件，但沒有考慮沖擊電流的熱效應(yīng)和電流值很大時(shí)的電動(dòng)力效應(yīng)。實(shí)際上就氧化鋅壓敏電阻而言，它能承受的8/20沖擊電流的能量比承受2ms時(shí)的能量大，如圖4所示[4]。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的沖擊電流能量隨電極面積的變化。可見，能量相等的原則至少對(duì)壓敏電阻是不適用的。
　　對(duì)氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機(jī)理的研究得出了下述結(jié)果[4]；在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種（見圖5），當(dāng)大沖擊電流的時(shí)間寬度不大于50μs時(shí)（例如4/10和8/20波），電阻體開裂；當(dāng)電流值較小而時(shí)間寬度大于100μs時(shí)（例如10/350、10/1000和2ms波），電阻體穿孔。兩種不同破壞模式可以這樣解釋：時(shí)間很短的大電流在電阻體內(nèi)產(chǎn)生的熱量來不及向周圍傳導(dǎo)，是個(gè)絕熱過程，加上電阻體的不均勻使電流的分布不均勻，這樣電阻體不同部位之間的溫差很大，形成很大的熱應(yīng)力而使電阻體開裂。當(dāng)沖擊電流的作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電阻體不均勻造成的電流集中，使電阻體材料熔化而形成穿孔。
　　圖5的實(shí)驗(yàn)曲線表明，使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A·cm-2)與沖擊電流波的時(shí)間寬度r（μs）之間的關(guān)系，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中大體為一條斜率為負(fù)值的直線，因而可用下面的方程式來表達(dá)：
logJ=C－Klogr
　　式中，C和K是與具體器件相關(guān)的兩個(gè)常數(shù)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料推算出來，于是就可以計(jì)算出這種產(chǎn)品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。
　　綜上所述，對(duì)于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進(jìn)行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應(yīng)以兩種不同波形（例8/20、10/350）的沖擊電流對(duì)所選定的壓敏電阻進(jìn)行試驗(yàn)，分別得出使試樣失效的兩個(gè)電流峰值，代入上式，求得常數(shù)C和K的具體數(shù)值，然后利用該公式進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)式不一定進(jìn)行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達(dá)到-10%作為失效判據(jù)。
　　應(yīng)當(dāng)指出，就是不同企業(yè)、不同批次的壓敏電阻器，盡管尺寸規(guī)格相同，但實(shí)際能承受的沖擊電流（能量）的水平可能相差很大，因此必須對(duì)每批供貨逐批抽樣檢驗(yàn)。
5SPD的殘壓與沖擊電流峰值關(guān)系
　　IEC61643-1對(duì)SPD限制電壓的測(cè)量方法作了這樣的規(guī)定：若測(cè)試信號(hào)為8/20電流波，則要求在標(biāo)稱放電電流In的0.1、０.2、0.5、1.0和2.0倍下測(cè)出殘壓值，且正反向都必須測(cè)量，然后做出殘壓-電流風(fēng)流值的擬合曲線，取曲線上的最高點(diǎn)作為SPD的限制電壓值。若測(cè)試信號(hào)為組和波，則要求在開路電壓U 0.1、0.2、0.5和1.0倍下測(cè)出殘壓值，且正反向都必須測(cè)量，以測(cè)得殘壓值中的最高值作為SPD的限制電壓值。這意味著SPD的最高殘壓值不一定發(fā)生在最大沖擊電流下的時(shí)候。當(dāng)SPD中有電抗組件（例如L－C低通濾波器）的時(shí)候，可觀測(cè)到小沖擊電流下的殘壓高于大沖擊電流下的殘壓的情況，證明了IEC61643-1的這種規(guī)定的合理性。若已經(jīng)確切地知道了SPD中沒有電抗，而僅由限壓型或開關(guān)型非線性元件，以及兩端口SPD中的隔離元件不是電感而時(shí)電阻的話，則因?yàn)檫@類SPD的最高殘壓總是發(fā)生在沖擊電流峰值大的時(shí)候，因此，只要在最大電流峰值下測(cè)定即可。


還應(yīng)指出，當(dāng)以8/20電流波測(cè)量壓敏電阻的殘壓時(shí)，電流波達(dá)到峰值Ip的時(shí)刻ti，與電壓波達(dá)到峰值Up的時(shí)刻tu并不重合，tu先于ti(見圖6（a）)。這是由壓敏電阻本身的特性所決定的，前面講到，當(dāng)沖擊過電壓侵入時(shí)，壓敏電阻從“絕緣”變成“導(dǎo)通”的響應(yīng)時(shí)間不超過1ns，但導(dǎo)通電阻從大到小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值則需要較長(zhǎng)的時(shí)間。也就是說，在8/20電流波的作用時(shí)間內(nèi)，壓敏電阻的電阻值r還在不斷減小，而電壓波是每一時(shí)刻的電流值I與該時(shí)刻的電阻值r相乘所形成的，因而電壓波的峰點(diǎn)與電流波的峰點(diǎn)不會(huì)在同一時(shí)刻出現(xiàn)。
　　壓敏電阻的8/20沖擊電流試驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)看到如圖6（b）所示的電壓波，即一開始有一個(gè)尖峰，且波頂明顯下傾。這不是壓敏電阻的真實(shí)限制電壓波，而是放電電流的輻射干擾電壓L 迭加在正常限制電壓上的結(jié)果。