壓敏電阻的原理、參數和選型方法

壓敏電阻器廣泛應用于家用電器及其它電子產品中，起過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等作用。本篇分三部分介紹壓敏電阻，原理、參數和選型方法。

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壓敏電阻原理

壓敏電阻是一種金屬氧化物陶瓷半導體電阻器。它以氧化鋅（ZnO）為基料，加入多種（一般5～10種）其它添加劑，經壓制成坯體，高溫燒結，成為具有晶界特性的多晶半導體陶瓷組件。氧化鋅壓敏電阻器的微觀結構如下圖1所示。氧化鋅陶瓷是由氧化鋅晶粒及晶界物質組成的，其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質而呈N型半導體，晶界物質中含有大量金屬氧化物而形成大量界面態，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的肖特基墊壘串并聯的組合體。

圖1.壓敏電阻微觀結構

壓敏電阻的等效電路

圖2.壓敏電阻等效電路

壓敏電阻的V-I特性

圖3.壓敏電阻V-I特性

當壓敏電阻器遭受瞬時過電壓或是浪涌時, 壓敏電阻器會從穩定狀態（近似開路） 轉向限壓狀態（高導電狀態）。

壓敏電阻典型V-I特性曲線

1）漏電流區：又稱為預擊穿區，在此區域內，施加于壓敏電阻器兩端的電壓小于其壓敏電壓，其導電屬于熱激發電子電導機理。因此，壓敏電阻器相當于一個10MΩ以上的絕緣電阻(Rb遠大于Rg)，這時通過壓敏電阻器的阻性電流僅為微安級，可看作為開路，該區域是電路正常運行時壓敏電阻器所處的狀態。

2）工作區：又稱為 擊穿區：壓敏電阻器兩端施加一大于壓敏電壓的過電壓時，其導電屬于隧道擊穿電子電導機理(Rb與Rg相當)，其伏安特性呈優異的非線性電導特性，即：
I=C*V^α
其中I為通過壓敏電阻器的電流，C為與配方和工藝有關的常數，V為壓敏電阻器兩端的電壓，α為非線性系數，一般大于30 ，由上式可見，在擊穿區，壓敏電阻器端電壓的微小變化就可引起電流的急劇變化，壓敏電阻器正是用這一特性來抑制過電壓幅值和吸收或對地釋放過電壓引起的浪涌能量。

3）上升區：當過電壓很大，使得通過壓敏電阻器的電流大于約100A/cm2時，壓敏電阻器的伏安特性主要由晶粒電阻的伏安特性來決定。此時壓敏電阻器的伏安特性呈線性電導特性，即：
I=V/Rg
上升區電流與電壓幾乎呈線性關系，壓敏電阻器在該區域已經劣化，失去了其抑制過電壓、吸收或釋放浪涌的能量等特性。

根據壓敏電阻器的導電機理，其對過電壓的響應速度很快，如帶引線式和專用電極產品，一般響應時間小于 25納秒 。因此只要選擇和使用得當，壓敏電阻器對線路中出現的瞬態過電壓有優良的抑制作用，從而達到保護電路中其它元件免遭過電壓破壞的目的。

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壓敏電阻參數

1.壓敏電壓UN：即擊穿電壓或閾值電壓。指在規定電流下的電壓值，大多數情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值。

2.漏電流：也稱等待電流，是指壓敏電阻器在規定的溫度和最大持續直流電壓時，流過壓敏電阻的電流。

3.電壓比：指壓敏電阻的電流為1mA時的電壓值與壓敏電阻的電流為0.1mA時的電壓值之比。

4.非線性系數a值，即壓比的對數之倒數。

5.限制電壓Up：廣義的限制電壓是指沖擊電流流入壓敏電阻器時，它兩端的峰值。作為壓敏電壓器考核指標的限制電壓Up，則是指波形8/20，峰值為規定值時的沖擊電流流入時，壓敏電阻兩端電壓的峰值。壓敏電阻的基本功能是抑制瞬態異常電壓，所以限制電壓是它的最重要的一個使用參數。有的技術標準，如IE61643-1，將規定沖擊電流下，器件兩端測得的電壓峰值稱作"殘壓"，而把一組殘壓數據中的最大值稱作該器件的限制電壓。

6. 限壓比Rp：限制電壓Up與壓敏電阻壓敏電壓之比稱為限壓比Rp。器件的實際限制電壓應低于規定的指標值。Rp越小，越接近于1，表明器件的限壓性越好，因此技術指標中規定Up的最大允許值。
7. 最大持續工作電壓Uac、Udc：這是指壓敏電阻能夠長期承受的最大交流電壓有效值Uac，或最大直流電壓值Udc。確定Uac的原則是：交流電壓的峰值不大于壓敏電壓的公差下限值；確定Udc的原則是：壓敏電阻在Uac與Udc下的功耗大體相同，這樣Uac= 0.64UN， Udc= 0.83UN，Udc= 1.3Uac。
8. 通流容量：通流容量也稱通流量，是指在規定的條件（規定的時間間隔和次數，施加標準的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。最大脈沖電流的峰值是環境溫度為25℃情況下，對于規定的沖擊電流波形和規定的沖擊電流次數而言，壓敏電壓的變化不超過±10％時的最大脈沖電流值。
   9. 最大能量：是指在規定的條件（規定的時間間隔和次數，施加標準的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大浪涌能量。

10.額定功率：指在一定的電流脈沖群作用下，壓敏電阻器能承受的最大平均功率，能夠承受是指：沖擊后的壓敏電壓與沖擊前的相比不大于±10％，且不能發生目視可見的機械損傷。

11. 靜態電容量：指壓敏電阻器本身固有的電容容量。
12. 電壓溫度系數：指在規定的溫度范圍內，壓敏電阻器標稱電壓的變化率，即在通過壓敏電阻器的電流保持恒定時，溫度改變1℃時，壓敏電阻器兩端電壓的相對變化。相應的電流溫度系數指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時，溫度改變1℃時，流過壓敏電阻器電流的相對變化。
13. 絕緣電阻：指壓敏電阻器的引出線(引腳)與電阻體絕緣表面之間的電阻值。
14. 絕緣耐壓：指壓敏電阻的電極引線與其包封層表面之間所能承受的電壓

壓敏電阻除了以上的電氣特性外，環境特性有：氣候，穩態濕熱，溫度快速變化，上限溫度耐久性，濕熱環境耐久性，阻燃，耐濕等，機械特性有：振動，沖擊，可焊性，端子強度等，另外還有使用溫度范圍與貯存溫度范圍等。

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壓敏電阻的選項方法

3.1 選用原則

壓敏電阻的選用原則：瞻前顧后，符合標準，折中考慮，實驗為準。

具體來說，瞻前需考慮到：系統電壓正常波動范圍的上限值，故障套件下的最高暫態電壓及其持續時間；沖擊源的沖擊電壓峰值和源阻抗（或沖擊電流），沖擊的時間寬度及頻率等；

顧后即考慮到：被保護對象的耐壓水平；被保護對象允許的壓敏電阻的固有電容和阻性漏電流。

瞻前顧后的基本要求為：在預期的沖擊源的最大沖擊電壓下，壓敏電阻的限制電壓，應低于被保護對象的沖擊耐壓值；在系統電壓正常波動范圍的上限值和故障以及最高環境溫度條件下，壓敏電阻的預期工作壽命時間應大于設計要求值；壓敏電阻的通流量，額定能量，功耗應大于沖擊源預定的最大沖擊電流，沖擊能量和平均功耗，在規定條件下，壓敏電阻的沖擊壽命次數應大于壽命期內沖擊源的沖擊次數；在系統電壓和沖擊源發生超過預期值的異常情況時，壓敏電阻不會起火，不會發生危及鄰近元器件的爆裂，且沒有導致電擊的危險；壓敏電阻的電容量和非線性電流對被保護對象或系統的影響，應在允許的范圍內。

符合標準即符合相關的安規測試。

3.2選項舉例

1）規格681選型：

可承受最大持續AC電壓：420Vrms

壓敏電壓UN：620-680Vdc

最大限制電壓Up:1120Vdc

被保護器件耐壓極限應大于壓敏限制電壓Up

2）普通一次電源壓敏選型舉例

有三種方法計算壓敏電阻電壓選型：

a) AC220V輸入（暫不考慮能量和耐量）,設電源電壓波動系數為0.8～1.3，壓敏電阻器兩端的最高電壓可達220×1.3=286Vac；

b）如果輸入電壓范圍Vin=85-264Vac，依照壓敏電阻電壓降額要求0.9,可知電壓可達264/0.9=293 Vac；

c)壓敏UN公式：U=1.5*Uin(值)=1.5(2^1/2 )*220V=467Vdc, 至少選471K壓敏電阻；持續交流電壓，300Vac, UN范圍425-515Vdc;

3.3 設計選項需要注意的問題

1）必須保證在電壓波動最大的時候，連續工作電壓也不允許超過最大允許值，否則將縮短了壓敏電阻器的使用壽命；

2）在電源線與大地使用壓敏電阻時，有時由于接觸不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場合更高壓敏電壓的壓敏電阻；

3）壓敏電阻的壽命特性有兩項，一是連續工作電壓壽命，即壓敏電阻在規定環境溫度和系統電壓條件應能可靠地工作規定的時間（小時數）。二是沖擊壽命，即能可靠地承受規定的沖擊的次數；

4）在應用中，壓敏電阻器所吸收的浪涌電流要小于產品的最大通流量，以使產品有較長的工作壽命；我司主要取6KA；

5）壓敏電阻介入系統后，除了起到"安全閥"的保護作用外，還會帶入一些附加影響，這就是所謂"二次效應"，它不應降低系統的正常工作性能。這時要考慮的因素主要有三項，一是壓敏電阻本身的電容量（幾十到幾萬PF），二是在系統電壓下的漏電流，三是壓敏電阻的非線性電流通過源阻抗的耦合對其他電路的影響。

6） 一般民用設備選型為471K，511K，561K；工業設備使用561K，681K甚至821K等；具體選用何種型號，除了輸入電壓外，與壓敏電阻需要保護的器件極限沖擊電壓也有關系，壓敏電阻限制電壓不得超過被保護器件的極限耐壓；

3.4 壓敏電阻的失效模式

壓敏電阻的失效模式有三種方式：

第一種劣化，表現在漏電流增大，壓敏電壓顯著下降，直至為零。

第二種炸裂，若過電壓引起的浪涌能量太大，超過了選的壓敏電阻器極限的承受能力，則壓敏電阻器在抑制過電壓時將會發生陶瓷炸裂現象。

第三種穿孔，若過電壓峰值特別高，導致壓敏電阻器的失效模式絕大部分表現為劣化各穿孔（短路），解決的辦法為在使用壓敏電阻器時，與之串聯一個合適的斷路器或者保險絲，避免短路引起事故。

總結來說，壓敏電阻在吸收突波時，發生崩潰電壓降低時，將使其工作電流過大直至燒毀；發生爆裂（封裝層裂開，引線與陶瓷體分離）時，將斷路，從而使保護失效；發生瓷片短路時將使其燒毀。當壓敏電阻的使用環境或者濕度過高時，將使其劣化（崩潰電壓降低），從而使其工作電流過大直至燒毀或短路。當壓敏電阻的使用電壓超過額定工作電壓時，將使其劣化（崩潰電壓降低），從而使其工作電流過大直至燒毀或短路。

對于壓敏電阻起火燃燒的失效現象，大體上可分為老化失效和暫態過電壓破壞兩種類型。①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，薄弱點材料融化，形成1kΩ左右的短路孔后，電源繼續推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。這種事故通?？梢酝ㄟ^一個與壓敏電阻串聯的熱熔接點來避免。熱熔接點應與電阻體有良好的熱耦合，當最大沖擊電流流過時不會斷開，但當溫度超過電阻體上限工作溫度時即斷開。研究結果表明，若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發生早期失效，強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。②暫態過電壓破壞，這是指較強的暫態過電壓使電阻體穿孔，導致更大的電流而高熱起火。整個過程在較短時間內發生，以至電阻體上設置的熱熔接點來不及熔斷。在三相電源保護中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火的事故概率較高，多數是屬于這一種情況。相應的對策集中在壓敏電阻損壞后不起火。一些壓敏電阻的應用技術資料中，推薦與壓敏電阻串聯電流熔絲（保險絲）進行保護。