3. 

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          EEPW首頁 
	 > 電源與新能源 > 設計應用 > 氧化鋅壓敏電阻8/20μS脈沖電流下的伏安特性曲線分析
          
    
          

          

          


	
	
	

          
	
          
		
          
			
          氧化鋅壓敏電阻8/20μS脈沖電流下的伏安特性曲線分析
          
						
          
				作者：
				時間：2012-05-16
				來源：網(wǎng)絡

				
				
				
				
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          1 引言
          本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/177241.htm
           氧化鋅壓敏電阻器在8/20μS脈沖電流下的伏安特性，在以往有很多研究[1-4]，普遍認為：壓敏電阻器在8/20μS脈沖電流下，電流峰值和電壓峰值不同時到達，電壓峰值早于電流峰值，上升沿的伏安特性曲線和下降沿的伏安特性曲線不相重合且形成回線特征；有的認為是脈沖電流激發(fā)的空穴滯后效應[3]，有的認為是電致伸縮或熱效應引起的滯后效應[4]，有的認為是受沖擊電流和電流變化率影響[2]。
           回線特征自然聯(lián)想到電感效應。雖然以往的試驗采用各種方法減少或消除壓敏電阻器在8/20μS脈沖電流測試中的電感，但壓敏電阻器的伏安特性回線特征仍然不能被消除。這到底是因為電感無法消除還是回線特征就是壓敏陶瓷體的本征特性呢？
           其實，因為壓敏陶瓷體不可能采用零引出，減小引線長度、采用中空閥片和采用凱文接線法等只能盡可能減小電感，在壓敏電阻器沖擊測量時電感是無法完全消除的。即使采用零長度引出線將電流通入壓敏陶瓷體表面電極，電流也須在表面電極上重新分配到每一點，表面電極的電流通道構成了等效電感。壓敏電阻電極等效電感和測試點間的引線電感共同構成壓敏電阻器引出電感。引出電感不可消除。引出電感肯定對回線特征有貢獻。
           本文就是試圖對壓敏電阻器在8/20μS脈沖電流下伏安特性曲線的回線特征進行半定量的分析，確認回線特征是否壓敏陶瓷休的本征特性。
          2 建立模型
          如圖1氧化鋅壓敏電阻在8/20μS脈沖電流下?lián)舸┮院蟮碾娏鲄^(qū)下的等效電路。其中L為壓敏電阻的引出電感和陶瓷體等效電感，RV為壓敏電阻陶瓷體敏感電阻（含非線性晶界和晶粒），Rs為引出電阻，i為流過壓敏電阻器的電流，V（i）為壓敏電阻器上的總壓降，VV（i）為壓敏電阻陶瓷體敏感電阻壓降，Vr (i)為引出電阻上的電壓降，di/dt為電流隨時間的變化率，脈沖電流時di/dt為電流的函數(shù)，則電感上的電壓降為L di / dt 。
          根據(jù)等效電路圖1，串聯(lián)電感不能為零，電感的存在一定會在沖擊測試時產(chǎn)生伏安特性的回線，上升段電壓高于下降段，這和壓敏電阻器回線特征很一致。由此提出假設，回線是等效電感引起的，將等效電感作常量看待，壓敏陶瓷體的電阻是一個純可變電阻，引出電阻和壓敏陶瓷體的電阻上的電壓降只與電流大小有關而與電流時間變化率無關。可以得出：
          在8/20μS脈沖電流上升沿，壓敏電阻器上的電壓可以表示成式（1）
          在8/20μS脈沖電流下降沿，壓敏電阻器上的電壓可以表示成式（2）
          (2)
           在8/20μS脈沖電流下降沿，對應于同一電流值，壓敏電阻器陶瓷體上的壓降相同，如式（3a）； 同時，引出電阻上的電壓降相同，如式（3b）。
           (3a)
           (3b)
           在8/20μS脈沖電流下降沿，對應于同一電流值，將式（1）和式（2）相減得式（4），上升沿和下降沿對應于同一電流值的等效電感上的上升下降沿電壓差，是上升沿和下降沿電流時間變化率差值的函數(shù)。在已知等效電感上的上升下降沿電壓差與上升沿和下降沿電流時間變化率差值時，就可以計算等效電感值。
          V上（i）- V下（i）=L (di上/ dt - di下/dt )= f (di/dt ) ( 4 )
          20120515165440331.jpg
          3 實驗條件
          試驗樣品為20D101(中壓料)、20D620（低壓料）、32D560（低壓料）和32D101（低壓料）各1只，20D產(chǎn)品引線間距10mm、測試點為引線根部和引線約50mm處，32D產(chǎn)品引線間距15mm、 測試點為引線根部；間距10mm、長度125mm平行引線電壓降測量。
          沖擊發(fā)生器為SK-20KA，用設備的分流器進行電流取樣，直接在壓敏電阻器的兩引線根部取樣電壓信號，用TDS102示波器依次顯示和測量電流和電壓信號。沖擊電流波形為8/20μS，峰值為2.0kA和3.0kA。
          4 試驗結果及分析
          4.1 測試數(shù)據(jù)顯示引線上電阻效應不可忽略
          圖2為測試的壓敏電阻器在8/20uS沖擊下的伏安特性回線特征圖的示例，曲線顯見呈現(xiàn)明顯的回線特征，上升沿電壓大于下降沿。圖3和圖4為示波器捕獲的電流和電壓波形，電壓峰值先于電流峰值，不像簡單的電感，在電流峰值處電流時間變化率為零，但顯示此時平行引線首尾測試點間的電壓不相等，過了峰值電流后才達到相等的電壓值，將各測試中電流峰值點與電引線上電壓為零的時間差、零電壓時的電流值列于表1，可以很確定地說，引線上的電阻效應不可忽略。
          圖2 產(chǎn)品在3.1KA的8/20μS脈沖電流下的伏安特性部分曲線
          表1 8/20μS脈沖電流下產(chǎn)品引線及純引線首尾處電壓相等點與電流峰值的差別
          試品
          沖擊電流峰值
          kA
          導線零電壓點電流值
          kA
          電流峰值點與導線
          電壓零值點時間差
          μS
          125mm導線
          2
          1.84
          4.2
          3
          2.9
          2.8
          20D101
          2
          1.9
          3
          3
          2.88
          3.2
          20D620
          2
          1.96
          3.4
          3
          2.95
          1.6
          表2為理論計算的直徑1mm的平行雙銅導線電阻以及對應沖擊電流時的電壓降，從數(shù)據(jù)顯示，引出電阻的影響確實不可忽略。
          表2 直徑1mm的平行雙銅導線電阻的理論計算結果
          電流
           mA
          電阻
          電壓降V
          mΩ
          @0.9kA
          @2kA
          @3kA
          10
          0.446
          0.401
          0.892
          1.338
          50
          2.23
          2.007
          4.460
          6.69
          125
          5.575
          5.018
          11.150
          16.725
          4.2 從測試數(shù)據(jù)中計算出等效電感值
          根據(jù)測試得到對應電流的上升沿和下降沿電流變化率和電壓差值，按照式（4）計算出125mm平行雙銅導線、20D101的引線及被銀陶瓷體、20D620的引線及被銀陶瓷體的等效電感值，分別列于表3、表4和表5。
          表3 125mm平行雙銅導線的試驗推導電感值
          2kA
          電流A
          900
          1200
          1500
          1800
          2000
          上升沿電流變化率A/μS
          368
          272
          192
          100
          0
          下降沿電流變化率A/μS
          -65.6
          -73.6
          -76.8
          -60.8
          0
          上升下降沿電流變化率差A/μS
          433.6
          345.6
          268.8
          160.8
          0
          上升沿電壓V
          63.6
          48.8
          35.6
          24.8
          8.8
          下降沿電壓V
          -5.6
          -6
          -4
          -0.8
          8.8
          上升下降沿電壓差V
          69.2
          54.8
          39.6
          25.6
          0
          等效電感nH
          159.6
          158.6
          147.3
          159.2
          　
          3kA
          電流A
          900
          1500
          2000
          2500
          3000
          上升沿電流變化率A/μS
          580
          420
          328
          220
          0
          下降沿電流變化率A/μS
          -88
          -120
          -126
          -108
          0
          上升下降沿電流變化率差A/μS
          668
          540
          454
          328
          0
          上升沿電壓V
          93.8
          71
          58
          42.8
          9.6
          下降沿電壓V
          -10
          -12
          -12.8
          -8.4
          9.6
          上升下降沿電壓差V
          103.8
          83
          70.8
          51.2
          0
          等效電感nH
          155.4
          153.7
          155.9
          156.1
          　
          表4 20D101的引線及被銀陶瓷體的試驗推導電感值
          2kA
          電流A
          900
          1200
          1500
          1800
          2000
          上升沿電流變化率A/μS
          368
          272
          192
          80
          0
          上升沿電流變化率A/μS
          -65.6
          -73.6
          -76.8
          -60.8
          0
          上升下降沿電流變化率差A/μS
          433.6
          345.6
          268.8
          140.8
          0
          根部上升沿電壓V
          220
          227
          230
          235
          234
          根部下降沿電壓V
          181
          194
          207
          223
          234
          5cm導線處上升沿電壓V
          249
          250
          249
          244
          237
          5cm導線處下降沿電壓V
          178
          192
          205
          222
          237
          5cm導線的上升沿電壓V
          29
          23
          19
          9
          3
          5cm導線的下降沿電壓V
          -3
          -2
          -2
          -1
          3
          被銀瓷片上升下降沿電壓差V
          39
          33
          23
          12
          0
          5cm導線上升下降沿電壓差V
          32
          25
          21
          10
          0
          被銀瓷片電感nH
          89.9
          95.5
          85.6
          85.2
          　
          5cm導線電感nH
          73.8
          72.3
          78.1
          71.0
          　
          3kA
          電流A
          900
          1500
          2000
          2500
          3000
          上升沿電流變化率A/μS
          580
          424
          328
          220
          0
          上升沿電流變化率A/μS
          -88
          -120
          -126
          -108
          0
          上升下降沿電流變化率差A/μS
          668
          544
          454
          328
          0
          根部上升沿電壓V
          232
          250
          260
          268
          268
          根部下降沿電壓V
          174
          198
          218
          238
          268
          5cm導線處上升沿電壓V
          275
          281
          285
          288
          272
          5cm導線處下降沿電壓V
          170
          191
          212
          234
          272
          5cm導線的上升沿電壓V
          43
          31
          25
          20
          4
          5cm導線的下降沿電壓V
          -4
          -7
          -6
          -4
          4
          被銀瓷片上升下降沿電壓差V
          58
          52
          42
          30
          0
          5cm導線上升下降沿電壓差V
          47
          38
          31
          24
          0
          被銀瓷片電感nH
          86.8
          95.6
          92.5
          91.5
          　
          5cm導線電感nH
          70.4
          69.9
          68.3
          73.2
          　
          表5 20D620的引線及被銀陶瓷體的試驗推導電感值
          2kA
          電流A
          900
          1200
          1500
          1800
          2000
          上升沿電流變化率A/μS
          368
          272
          192
          80
          0
          上升沿電流變化率A/μS
          -65.6
          -73.6
          -76.8
          -60.8
          0
          上升下降沿電流變化率差A/μS
          433.6
          345.6
          268.8
          140.8
          0
          根部上升沿電壓V
          186
          197
          205
          211
          214
          根部下降沿電壓V
          157
          172
          185
          201
          214
          5cm導線處上升沿電壓V
          212
          218
          220
          220
          217
          5cm導線處下降沿電壓V
          155
          168
          182
          200
          217
          5cm導線的上升沿電壓V
          26
          21
          15
          9
          3
          5cm導線的下降沿電壓V
          -2
          -4
          -3
          -1
          3
          被銀瓷片上升下降沿電壓差V
          29
          25
          20
          10
          0
          5cm導線上升下降沿電壓差V
          28
          25
          18
          10
          0
          被銀瓷片電感nH
          66.9
          72.3
          74.4
          71.0
          　
          5cm導線電感nH
          64.6
          72.3
          67.0
          71.0
          　
          3kA
          電流A
          900
          1500
          2000
          2500
          3000
          上升沿電流變化率A/μS
          620
          424
          328
          220
          0
          上升沿電流變化率A/μS
          -88
          -120
          -126
          -108
          0
          上升下降沿電流變化率差A/μS
          708
          544
          454
          328
          0
          根部上升沿電壓V
          196
          216
          231
          244
          246
          根部下降沿電壓V
          153
          177
          198
          219
          246
          5cm導線處上升沿電壓V
          237
          247
          255
          259
          250
          5cm導線處下降沿電壓V
          148
          172
          192
          214
          250
          5cm導線的上升沿電壓V
          41
          31
          24
          15
          4
          5cm導線的下降沿電壓V
          -5
          -5
          -6
          -5
          4
          被銀瓷片上升下降沿電壓差V
          43
          39
          33
          25
          0
          5cm導線上升下降沿電壓差V
          46
          36
          30
          20
          0
          被銀瓷片電感nH
          60.7
          71.7
          72.7
          76.2
          　
          5cm導線電感nH
          65.0
          66.2
          66.1
          61.0
          　
          4.3 用試驗推導出引線電感是合理的方法
          表6是用式（5）[5]的方法計算的引線理論電感值和試驗推導出的等效引線電感比較。
           （5）
          表6 理論計算的引線電感值和試驗推導出的等效引線電感比較
          理論計算電感
          產(chǎn)品
          125mm導線
          20101
          20620
          間距a mm
          10.3
          12.2
          12.2
          引線直徑d mm
          1
          1
          1
          引線長度l mm
          125
          56
          50
          理論計算電感nH
          150
          71.2
          63.5
          2kA推導電感
          均值nH
          156.2
          73.8
          68.7
          極差比率%
          7.86%
          9.62%
          11.29%
          和理論偏差率%
          4.11%
          3.68%
          8.23%
          3kA推導電感
          均值nH
          155.3
          70.4
          64.6
          極差比率%
          1.54%
          6.94%
          8.06%
          和理論偏差率%
          3.52%
          -1.10%
          1.65%
           從表6可以看出，在合理的誤差范圍內(nèi)，引線電感的理論計算值和試驗推導值非常接近，引線電感為常數(shù)，用試驗推導出等效電感值的方法是可行的方法。
          4.4 壓敏電阻器披銀陶瓷體的等效電感是常數(shù)
          將表4和表5中試驗推導的20D101和20D620的壓敏電阻器披銀陶瓷電阻體的等效電感值列于表7，顯然在合理的試驗誤差范圍內(nèi)，披銀陶瓷體的沖擊等效電感是一個常數(shù)。
          表7 試驗推導的20D產(chǎn)品披銀陶瓷體等效電感
          產(chǎn)品
          2kA試驗數(shù)據(jù)
          3kA試驗數(shù)據(jù)
          等效電感平均值nH
          極差比率
          等效電感平均值nH
          極差比率
          20D101
          89.1
          11.52%
          91.6
          9.57%
          20D620
          71.2
          10.57%
          70.3
          22.02%
          4.5 陶瓷體具有很大的等效電感
          披銀陶瓷體等效電感，包含陶瓷體等效電感的電極等效電感。將測試的32D560產(chǎn)品和32D101產(chǎn)品的上升沿和下降沿電壓差作比較，32D101和32D560披銀陶瓷體等效電感與厚度的比較結果列于表8。20D101和20D560披銀陶瓷體等效電感與厚度的比較列于表9。由表8顯示，32D101是32D560厚度的1.25倍，前者披銀陶瓷體的等效電感是后者的1.16倍，20D101的厚度是20D620厚度的0.76倍，而前者的披銀陶瓷體的等效電感是后者的1.28倍。
          以上電感與陶瓷體厚度的不對應關系說明，陶瓷體厚度不是披銀陶瓷體等效電感的主要影響因素。可以作這樣的解釋，陶瓷厚度是形成電極等效電感的因素，將電極包圍的面積和5cm導線包圍的面積相比較沒有超過1/20，是可以忽略不計的，這樣電極等效電感會小于5nH，當然在70nH以上的陶瓷體等效電感中確實不算什么，而這么大的披銀陶瓷體等效電感與產(chǎn)品的壓敏電壓呈明顯的正相關，壓敏電壓與晶界數(shù)量成正比。說明披銀陶瓷體等效電感主要來源于晶界，所以披銀陶瓷體的等效電感只有很少一部分來源于電極等效電感，來源于晶界的陶瓷體等效電感遠大于電極等效電感。
          由此可以說明，壓敏陶瓷體有很大的沖擊等效電感，這一等效電感會引起壓敏電阻器在8/20μS沖擊電流時的伏安特性回線特征，回線特征是壓敏陶瓷體的本征特性。即使完全消除電感，回線特征也無法消除。
          表8 32D101和32D560披銀陶瓷體等效電感與厚度的比較
          產(chǎn)品
          32D101
          32D560
          101與560的
          電感比值
          101與561的
          厚度比值
          電流A
          披銀瓷片上升下降沿電壓差V
          2kA
          900
          37
          32
          1.16
          1.25
          1200
          32
          27
          1.19
          1500
          26
          22
          1.18
          1800
          17
          15
          1.13
          比率均值
          1.16
          3kA
          900
          55
          46.5
          1.18
          1500
          50
          42
          1.19
          2000
          42
          36
          1.17
          2500
          30
          27
          1.11
          比率均值
          1.16
          表9 20D101和20D560披銀陶瓷體等效電感與厚度的比較
          產(chǎn)品
          20D101
          20D620
          101與620的
          電感比值
          101與621的
          厚度比值
          電流A
          被銀瓷片推導平均等效電感值nH
          2kA
          89.1
          71.2
          1.25
          0.76
          3kA
          91.6
          70.3
          1.30
          5 結論
          氧化鋅壓敏電阻在8/20μS脈沖電流下的伏安特性，呈回線特征是壓敏陶瓷的本征特性，壓敏陶瓷本身在8/20μS脈沖電流下的具有常數(shù)等效電感，與晶界數(shù)和瓷料有關，引起伏安特性的回線特征。
          參考文獻
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