杨澜 马啟田
（广东优科检测认证有限公司，广东东莞523573）
摘要：雷电是一种大自然放电现象，雷电破坏作用和雷电流强度、能量及其波形有密切的关系，ZnO压敏电阻作为现代防雷技术的核心器件，其性能的好坏直接影响着电力系统的过电压水平和设备的绝缘水平，本文描述了氧化锌压敏电阻需要经受的不同测试标准的脉冲电流试验，模拟真实雷电浪涌对氧化锌压敏电阻造成的危害，考量氧化锌压敏电阻器的耐雷击能力。
关键词：氧化锌压敏电阻 脉冲电流 浪涌 模拟雷电
1.概述
现代防雷技术的发展，主要体现在从直接雷击的防护发展到雷电波侵入及雷电电磁脉冲的防护，这对防雷装置的功能提出了新的要求，总体来说雷电对电路或者线路的影响是过电压或者过电流，防雷电路中将不可或缺的出现过压保护元器件与过电流保护元器件。雷电浪涌时电力系统的突出问题，氧化锌压敏电阻是抑制浪涌过电压的重要设备，在电力系统保护中应用广泛，主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。从手持式电子产品到工业设备，其规格与尺寸多种多样。随着手持式电子产品的广泛使用，尤其是手机、手提电脑、PDA、数字相机、医疗仪器等，其电路系统的速度要求更高，并且要求工作电压更低，这就对压敏电阻器提出了体积更小、性能更高的要求。因此，表面组装的压敏电阻器元件也就开始大量涌现，而其销售年增长率要高于有引线的压敏电阻器一倍多。压敏电阻在雷击电涌冲击条件下的性能将直接影响电涌保护效果。因此在各国不同标准中均对压敏电阻的脉冲电流能力进行了验证。
2.氧化锌压敏电阻防雷工作原理
2.1氧化锌压敏电阻器的结构
氧化锌压敏电阻器是一种陶瓷工艺制成的化合物半导体元件，以氧化锌为主要成分，另加少量的其他金属氧化物（颗粒），如：钴，锰，铋等压制而成，由于两种不同性质的物体组合在一起，相当于一个PN结（二极管），因此，压敏电阻相当于众多的PN结串、并联组成。
2.2 氧化锌压敏电阻器防雷工作原理
ZnO压敏电阻在设计制造过程中就已经确定了它的开关电压或者压敏电压，当压敏电压两端所施加的电压低于开关电压值时，压敏电阻呈高阻值状态，此时即使压敏电阻并联在电源线路上，也像一个断开的开关，当施加在压敏电阻两端的电压高于压敏电阻值时，压敏电阻立即呈导通钳位状态，此时压敏电阻类似于一个稳压二极管。但与普通稳压二极管不同的是，压敏电阻钳位电压高低不是一成不变的，而是随着电流的大小呈非线性变化，此时就压敏电阻内阻而言，内阻数值比较小，单其变化范围仍然很大，小电流时dV/dI很大，大电流时dV/dI则很小，可见小电流时内阻比大电流时大，压敏电阻的这种动作钳位状态可以随着施加电压降低至动作电压以下而自动消失，并可以完全恢复到高阻态。所以，当电源线路上出现高雷电压入侵时，并联接在相线与地之间的压敏电阻会动作，呈导通钳位状态，雷击电流即通过压敏电阻泄放到大地，使压敏电阻避雷器之后的电源线路电压钳位在安全范围内。当雷击电压过去后，压敏电阻恢复到高阻态，电压线路也恢复到正常供电状态。同样，把压敏电阻并联接在其他通信线路时，也可以把入侵通信线路时的雷电压钳位，保障进入通信设备借口的雷电压处于安全范围内，一般来说压敏电阻片径越大，它的能量耐量越大，耐冲击电流也越大。压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。
3.雷电特性
3.1 雷电灾害已经成为电子信息社会的一大公害，在传统的雷电防护技术中，人们把注意力放在直接雷击防护上，认为雷击的防护只需要装一支避雷针即可。电子信息技术的发展，使得众多的电子系统进入千家万户、各行各业。远程电力的输送使得雷电灾害出现了新的形式，即不以直接接闪伤害为特征的伴随雷电产生的雷电电磁脉冲。雷电的高电压、大电流，和瞬时性，强大的闪电产生静电场，电磁场和电磁辐射，以及雷电波侵入，地电位反击等严重干扰通信系统和各种电子设备的正常工作，会在一定范围内对微电子设备造成破坏。因此雷电成灾由直击雷发展成与间击雷的共同作用。因此，为了防止雷电对电子与电气系统的干扰和破坏，针对雷电的入侵的形式，出现了像压敏电阻器这样的限压防雷元器件。防雷并非是预防雷电的发生，而是给雷电能量的泄放开渠筑坝，一方面为雷电流提供一条流入大地的低阻通道，不让它冲击被保护的建筑物和设备，另一个方面也为了被保护设备筑起电磁能量的防护屏障，从空间和线路上隔离雷电流的间接影响。
3.2雷电破坏作用与雷电流强度、能量及其波形有密切的关系。每次雷击电流的大小和波形差别很大，不同雷击闪电种类的放电差别更大。雷电流具有电流的一般特性，但峰值高，陡度大、持续时间短是雷电流的一大特征。世界各国测得的自然雷击波形基本是一致的，大约有80%~90%的雷电流是负极性重复脉冲，脉冲电流试验必须有一个尽量模拟自然界的雷闪以及线路或者设备上可能出现的浪涌的典型波形，这就是通常说的模拟雷电冲击波形，目前各国在冲击电流测试中对脉冲波形的要求有一定差异，在各国检测标准中该试验常定义为脉冲电流试验，或者标称放电电流试验，或者雷击浪涌电流试验。模拟雷电流的波形分为两大类，一类是模拟直接雷击电流波形如10/350us波形，另一类是模拟雷电感应波形如1.2/50us波形，8/20us波形，10/1000us波形或者1.2/50us(8/20us)组合波形。
4.氧化锌压敏电阻脉冲电流试验
4.1氧化锌压敏电阻器不同类型脉冲波形介绍
氧化锌压敏电阻器在GB/T 10193, GB/T 10194, IEC 61051-1, IEC 61051-2, IEC 61051-2-2, UL 1449，IEC 61643-331，GB/T 18802.331检测标准中雷击试验均采用的8/20us脉冲电流波形，上述标准除了UL 1449外还采用了10/1000us（或者2ms）脉冲电流波形和组合波1.2/50us(8/20us) 进行模拟雷电感应试验。
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视在前沿时间T1：脉冲电流的视在前沿时间T1，是指脉冲电流从峰值的10%到90%的时间间隔的1.25倍。如是脉冲电压的视在前沿时间，则是从峰值电压的30%到90%的时间间隔的1.25倍1.67倍。
视在原点O1：脉冲电流的视在原点O1是指电流达到峰值的10%这一点以前的0.1T1时刻。对于线性扫描的波形图来说，该点是指通过前沿的10%和90%的点所作的直线与X轴的交点。
如是脉冲电压的视在原点O1是指电压达到峰值的30%这一点以前的0.3T1时刻。对于线性扫描的波形图来说，该点是指通过前沿的30%和90%的点所作的直线与X轴的交点
视在半峰值时间T2：脉冲电流的视在半峰值时间是指从视在原点到波尾上电流（或电压）第一次下降到半峰值的时间间隔。
4.2氧化锌压敏电阻器不同类型波形峰值和时间允差：
波形设定最大允许误差可保证测量的准确性及仪器的准确性，意义重大：
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4.3氧化锌压敏电阻器不同标准检测测试方法介绍：
4.3.1氧化锌压敏电阻器在UL 1449标准中属于type 5类SPD防雷器，在申请UL 1449标准检测时，需要经受标准规定的标称放电电流试验，试验具体方法以下：
4.3.1.1 首先需要先测量信号干扰电流: 用一根尽量短的6AWG的线接在浪涌发生器的两端短接，然后根据需要进行测试的样品的In值来调节示波器上的电流探头比例，记录此时示波器上的干扰波大小，以及此时电流探头的比例，每个型号记录5个干扰波，并算出其平均值。
a. 以上测试之后，相同样品测试
b. 测试方式：15 surges， 8/20 us电流波进行测试
c. 标称放电电流值由客户根据自己产品宣告：0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.25, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 5, 10 or 20 kA。
d. 测试前要进行8/20 us电流校验波测量:
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预期波形需要通过示波器测量验证波形的上升时间是否满足标准要求：
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预期波形需要通过示波器测量验证波形的下降时间是否满足标准要求：
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4.3.1.2测试流程:
1.未通电下，在制造商宣告的In 等级(见前页)
以 8/20 us 电流波测试一次, 并纪录MLV值（样品连接到浪涌发生器上，底部支撑面铺一层薄纸，样品用一层纱布覆盖）
2. 在 1 秒内于样品上加上 MCOV 电压 60 秒 (+/- 5秒)
3. 上述步骤 1 和 2 重复 5 次
4. 步骤 1~3 结束后，样品休息 30 分钟 (+/- 5分钟)
5. 上述步骤 1~4 重复 3 次 (一个样品总共测 15 次)
6. 15 次 In 测试结束后，再加上 MCOV 于样品上 15 分钟
标称放电电流测试流程：
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4.3.2氧化锌压敏电阻器在申请GB/T 10193, GB/T 10194的检测，或者申请 IEC 61051-1, IEC 61051-2, IEC 61051-2-2标准进行检测时，需要经受标准规定的脉冲电流试验或增加组合波形试验。试验具体方法如下：
以普通的方法将压敏电阻器固定在无锈蚀的夹具上，采用符合标准的第一种类型脉冲的两种标准脉冲电流：一种是视在前沿时间8us、视在半峰值时间20us，表示成8/20us脉冲；另一种是视在前沿时间10us、视在半峰值时间1000us，表示成10/1000us脉冲。
4.3.2.1标准规定需要8颗产品经受8/20us波形在一个方向冲击10次，2次每分钟，测试前后需要进行压敏电压试验，钳制电压试验，试验过程不得出现产品开裂和损坏，样品不得有任何部件的击穿和闪络迹象。
4.3.2.2标准规定需要8颗产品经受10/1000us波形在一个方向冲击10次，1次每2分钟，测试前后需要进行压敏电压试验，钳制电压试验，试验过程不得出现产品开裂和损坏，样品不得有任何部件的击穿和闪络迹象。
4.3.2.3氧化锌压敏电阻器如果用到ITAV产品内还需要在以上基础附加组合波形1.2/50us(8/20us)的试验，要求8颗产品经受一个方向10次冲击，GB要求2次每分钟，IEC要求1次每分钟。测试前后需要进行压敏电压试验，钳制电压试验，试验过程不得出现产品开裂和损坏，样品不得有任何部件的击穿和闪络迹象。
4.3.3氧化锌压敏电阻器在申请IEC 61643-331标准进行检测时，需要经受标准规定的脉冲电流试验或组合波形试验。试验具体方法如下：
4.3.3.1 如果申请I类和II类的压敏电阻器，进行8/20us脉冲电流测量限制电压，施加峰值为Iimp （T2施加In）的8/20 脉冲电流，施加一个正极性和一个负极性序列。每次冲击间隔应足以使试品冷却到环境温度，如果是T2类型还应施加多一次Imax冲击，电流极性为前面试验中残压较大的极性。然后相同样品施加波前放电电压，波形为1.2/50us冲击电压波形：发生器开路输出电压设定为6kV，对SPD施加10次冲击，正负极性各5次，每次冲击间隔应足以使试品冷却到环境温度，如果施加的10次冲击中的任一次没有观察到在波前放电，应把发生器的开路输出电压设定为10 kV，重复上述10次冲击试验。
4.3.3.2如果申请I类和II类的压敏电阻器，紧接着限制电压试验后相同产品施加15次8/20正极性的冲击电流，分成3组，每组5次冲击，试品与工频电源连接。每次冲击应与电源频率同步。从0°角开始，以30° ??5的间隔逐级增加。
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两次冲击之间的间隔时间为50 s～60 s，两组之间的间隔时间为30 min～35 min。两组冲击之间，试品无需施加电压。每次冲击应记录电流波形，电流波形不应显示试品有击穿或闪络的迹象。申请T1类的还需经受附加10/350us的电流冲击：
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4.3.3.3如果申请III类的压敏电阻器，需要进行复合波（1.2/50us和8/20us）测量限制电压，设定复合波电压为1.0客户宣称值，正负极性各2次，共冲击4次。接着相同产品需要经受组合波的动作负载试验，在正半波峰值处触发5次正极性冲击，在负半波峰值处触发5次负极性，在正半波峰值处触发5次正极性冲击检查应没有击穿或闪络的迹象，试验过程中应没有发生可见的损坏，不应有对人员或设备产生的爆炸或其他危险。
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5.结果判定
测试过程没有爆炸、起火相关的情况产生，没有火焰、熔融金属、发光或燃烧颗粒通过产品中的开口（预先存在或由于测试而产生）。 支撑表面或薄纸没有炭化、发光或燃烧， 外壳没有着火。 外壳中没有造成可触及带电部件的开口。测试前后压敏电压变化率不超过+/-10%，钳制电压增加不超过+10%，限制电压值试验前限制电压值则认为测试合格。
6.结束语
氧化锌压敏电阻器具有优异的非线性伏安特性以及良好的自恢复能力，是现代防雷器件中不可或缺的元件，由以上脉冲电流测试结果判定分析了解到，其能经受的脉冲测试能力将直接的影响防雷保护器的效果，所以在进行防雷工程设计时必须考虑所处环境可能会发生的雷电流大小，并做适当比例放大，才能保证压敏电阻和避雷器有足够的承受能力，电源产品和电源防雷器的可靠性、安全性在很大程度上依赖于压敏的正确使用。特别要指出的是，在电涌保护器设计中还要考虑各个地方的电源质量差别，雷击频度和强度的差别，被保护设备的安装情况和冲击耐受能力等的差别，设计好的防雷保护装置必须在现场使用条件下货尽可能接近真实情况的模拟条件下进行试验验证。
参考文献
1.UL 1449-2021 Surge Protective Devices
2.IEC 61051-1 -2018 Varistors for use in electronic equipment –Part 1: Generic specification
3.IEC 61051-2 - 1991 + A1:2009 Varistors for use in electronic equipment –Part 2: Sectional specification for surge suppression varistors
4.IEC 61051-2-2 – 1991 Varistors for use in electronic equipment –Part 2: Blank detail specification for Zino oxide surge suppression varistors – Assessment level E
5.GB/T 10193-1977电子设备用压敏电阻器第1部分：总规范
6.GB/T 10194-1977电子设备用压敏电阻器 第2部分：分规范 浪涌抑制型压敏电阻器
7.GB 8898-2011 音频、视频及类似电子设备 安全要求
8.GB 4943.1-2011 信息技术设备 安全 第1部分：通用要求
9.IEC 62368- 2018 Audio/video, information and communication technology equipment –Part 1: Safety requirements
10.IEC 61643-331 Components for low-voltage surge protection –Part 331: Performance requirements and test methods for metal oxide varistors (MOV)