暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理對(duì)氧化鋅壓敏電阻沖擊性能的影響

張　欣，楊天琦，周北平

(1．南京信息工程大學(xué)　江蘇省氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京　210044；2．南京信息工程大學(xué)　中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京　210044；3．南京市氣象局南京市氣象服務(wù)中心，江蘇南京　210009；4．南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京　210044)

0　引言

在現(xiàn)代防雷減災(zāi)工作中，電涌保護(hù)器(Surge protection device，SPD)的重要性已被人們認(rèn)識(shí)[1-6]。其中，MOV型SPD因其良好的非線性特性，被廣泛運(yùn)用在智能電網(wǎng)及電氣電子電路等電涌防護(hù)中。實(shí)際工作中，MOV芯片在遭受雷電等過(guò)電壓沖擊后，耐沖擊性能會(huì)隨著沖擊電流幅值增大、沖擊次數(shù)增加而下降，因此，對(duì)MOV芯片沖擊性能的研究備受關(guān)注。[7-10]

目前，對(duì)于MOV沖擊老化劣化方面的研究多基于實(shí)驗(yàn)分析靜態(tài)參數(shù)變化過(guò)程，研究認(rèn)為：MOV芯片在沖擊電流作用下，壓敏電壓U1mA呈先上升后下降的趨勢(shì)，上升的幅度小于下降的幅度，漏電流IL呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)[11-12]；非線性系數(shù)α隨劣化程度的增加而呈下降趨勢(shì)，標(biāo)稱電流In沖擊下，α值隨沖擊次數(shù)近線性下降[10]。而SPD接入電路中會(huì)遭受工頻過(guò)電壓入侵，暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)于MOV沖擊性能的影響，也是目前MOV沖擊老化劣化研究熱點(diǎn)之一。

文獻(xiàn)[13]指出，由于負(fù)荷不對(duì)稱，中性線斷線，低壓接地故障引起的暫態(tài)過(guò)電壓一般持續(xù)時(shí)間不超過(guò)5 s，在電網(wǎng)中發(fā)生的概率很高，過(guò)電壓持續(xù)作用下SPD會(huì)發(fā)熱，溫度不斷升高會(huì)導(dǎo)致MOV發(fā)生熱熔穿，產(chǎn)生永久性破壞[14]，但未提及持續(xù)5 s的暫態(tài)過(guò)電壓作用后MOV試樣特性變化。文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)，MOV型SPD具有一定的暫時(shí)過(guò)電壓耐受能力，耐受時(shí)間與預(yù)期短路電流有關(guān)，預(yù)期短路電流越大，耐受時(shí)間越短，超過(guò)耐受時(shí)間后SPD會(huì)被擊穿，擊穿時(shí)伴隨電弧出現(xiàn)，可能引起火災(zāi)。龐弛[16]等研究了工頻過(guò)電壓老化對(duì)MOV芯片8/20 μs沖擊特性影響，指出經(jīng)不同幅值過(guò)電壓老化15 min后，MOV芯片通流能力呈現(xiàn)不同程度的下降，但工頻過(guò)電壓老化時(shí)間較長(zhǎng)，與實(shí)際MOV工作環(huán)境中可能遭受的暫態(tài)過(guò)電壓有一定區(qū)別。

基于MOV芯片實(shí)際工作環(huán)境，文中設(shè)計(jì)暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后MOV芯片沖擊性能影響試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合雙肖特基勢(shì)壘導(dǎo)電理論，研究遭受暫態(tài)過(guò)電壓后對(duì)MOV芯片沖擊性能的影響。

1　MOV芯片沖擊性能影響試驗(yàn)

為研究MOV芯片實(shí)際工作環(huán)境中遭受暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)其沖擊性能影響，設(shè)計(jì)MOV暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后沖擊試驗(yàn)。MOV實(shí)際工作電路中，因操作和故障等原因造成的暫態(tài)過(guò)電壓多為瞬時(shí)工頻過(guò)電壓，所以文中采用工頻恒定交流過(guò)電壓模擬實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)選用18片同廠家同型號(hào)MOV芯片作為試樣，每3片試樣為一小組，分別為A1組、B1組、A2組、B2組、A3組、B3組。試驗(yàn)前逐一測(cè)得每一試樣靜態(tài)參數(shù)。其中MOV芯片壓敏電壓、漏電流和非線性系數(shù)可用壓敏電壓直流參數(shù)儀測(cè)得，標(biāo)稱電流和最大放電電流由廠家標(biāo)示，如表1所示。

表1　試樣靜態(tài)參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中，室溫控制在恒定25 ℃.利用工頻交流恒壓源設(shè)備產(chǎn)生450 V和470 V工頻恒定交流過(guò)電壓對(duì)試樣進(jìn)行暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理，即在A2組、B2組MOV芯片兩端施加450 V過(guò)電壓5 s，A3組、B3組試樣施加470 V過(guò)電壓5 s．A1組、B1組為對(duì)比樣，不經(jīng)過(guò)暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理。

暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后，待試樣冷卻至室溫再次測(cè)量記錄每一試樣靜態(tài)參數(shù)。采用20 kA多波形發(fā)生器設(shè)備產(chǎn)生8/20 μs沖擊波形對(duì)所有試樣分別進(jìn)行不同幅值的沖擊老化，A1組、A2組、A3組試樣沖擊8/20 μs 電流波10 kA，B1組、B2組、B3組沖擊8/20 μs電流波15 kA．每次沖擊后待試樣冷卻至室溫，記錄靜態(tài)參數(shù)后再進(jìn)行下一次沖擊，直至試樣壓敏電壓跌落10％以上，漏電流大于20 μA為止，證明該試樣已發(fā)生沖擊損壞。

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)過(guò)程中每一組芯片數(shù)據(jù)取平均值，得到暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理前后，每組MOV芯片靜態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2　試樣暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理前后靜態(tài)參數(shù)對(duì)比

從表2中可看出，試樣經(jīng)暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理5s后靜態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，其中A2、B2、A3、B3組試樣壓敏電壓均比施壓前增大，且大于未施壓的A1、B1組試樣，漏電流幾乎不變，非線性系數(shù)較小幅度下降。施加470 V過(guò)電壓的A3、B3組試樣壓敏電壓均比施加450 V過(guò)電壓的A2、B2組試樣略高。

從MOV導(dǎo)電機(jī)理[12，17-19]分析可知，MOV芯片在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中產(chǎn)生晶粒-晶界-晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，形成雙肖特基勢(shì)壘[20]。如圖1(a)所示，晶粒和晶界費(fèi)米能級(jí)不同，N型半導(dǎo)體氧化鋅晶粒費(fèi)米能級(jí)EFG高于非N型晶界費(fèi)米能EFB，使得晶粒中自由電子流向晶界，在晶界和晶粒的交界面上被受主表面態(tài)俘獲，形成大量的帶負(fù)電的界面電荷，而晶粒表面失去自由電子后從電中性變成帶正電。晶粒內(nèi)部自由電子在熱運(yùn)動(dòng)作用下向晶粒表面移動(dòng)，使晶粒表面達(dá)電中性。而內(nèi)部注入電子又會(huì)被晶界表面態(tài)俘獲，直至晶界負(fù)電荷與晶粒正電荷達(dá)到平衡為止，此時(shí)晶粒與晶界費(fèi)米能級(jí)相等，形成了晶界兩側(cè)的雙肖特基勢(shì)壘高度φ0，如圖1(b)所示。未加壓時(shí)，晶界兩側(cè)雙肖特基勢(shì)壘為對(duì)稱分布，勢(shì)壘高度決定MOV芯片非線性特性。當(dāng)對(duì)MOV芯片施加直流電壓時(shí)[21]，如圖1(c)所示。

(a)未結(jié)合前能帶圖

(b)結(jié)合后零偏壓時(shí)能帶圖

(c)直流電壓作用后能帶圖

圖1(c)中，左側(cè)肖特基勢(shì)壘φOL正偏，右側(cè)肖特基勢(shì)壘φOR反偏，電壓主要施加在反向肖特基勢(shì)壘上，正向肖特基勢(shì)壘高度不變，反向肖特基勢(shì)壘高度增加。若長(zhǎng)時(shí)間直流電作用，反偏側(cè)晶粒中正電荷向左移動(dòng)，與晶界右側(cè)界面負(fù)電荷發(fā)生電中和，減少表面態(tài)密度，降低勢(shì)壘高度。

試驗(yàn)中施加在MOV芯片兩端過(guò)電壓時(shí)間較短，且采用工頻交流電壓，可認(rèn)為交流電短時(shí)間作用下，ZnO晶粒左右兩側(cè)肖特基勢(shì)壘交替處于反偏狀態(tài)，雙勢(shì)壘高度均增加，可致暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后，MOV芯片壓敏電壓升高，非線性變好。

不同幅值暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后，MOV耐沖擊老化過(guò)程靜態(tài)參數(shù)變化不同，且耐沖擊次數(shù)也不同。如表3所示。

表3　試樣經(jīng)不同幅值暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后耐沖擊老化次數(shù)

表3中，不同幅值暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后的MOV芯片耐受沖擊老化次數(shù)比未經(jīng)暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理的芯片多，耐沖擊性能好。同樣沖擊10 kA幅值8/20 μs 電流波，A2、A3組試樣耐沖擊老化次數(shù)多于A1組試樣，其中施加暫態(tài)過(guò)電壓470 V的A3組試樣耐沖擊老化55次，多于施壓450 V的A2組試樣。沖擊15 kA幅值8/20 μs 電流波的B1、B2、B3組試樣，得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果同樣遵循此規(guī)律。由此可以看出，經(jīng)過(guò)暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后MOV芯片沖擊性能變好，且施加470 V暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理MOV芯片沖擊性能略好于施加450 V過(guò)電壓的芯片?？勺C明對(duì)工頻交流暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后，MOV芯片勢(shì)壘高度變高，非線性變好的推斷是合理的。

MOV芯片未施加暫態(tài)過(guò)電壓和施加不同幅值暫態(tài)過(guò)電壓后，沖擊不同幅值8/20 μs電流波，壓敏電壓變化趨勢(shì)也不同，如圖2、圖3所示。圖2為A1組、A2組、A3組試樣沖擊10kA幅值8/20 μs電流波壓敏電壓隨沖擊次數(shù)變化關(guān)系圖。

圖2　A1組、A2組、A3組試樣沖擊8/20 μs 電流波壓敏電壓變化趨勢(shì)

從圖2中可以看出，施加暫態(tài)過(guò)電壓的A2組、A3組試樣沖擊初始階段壓敏電壓較未施壓的A1組試樣高，沖擊過(guò)程中，A2組、A3組試樣壓敏電壓呈現(xiàn)下降-保持-下降的趨勢(shì)，A1組試樣壓敏電壓呈現(xiàn)上升-下降趨勢(shì)，且上升幅度很小，沒(méi)有保持階段，致使整個(gè)耐沖擊階段，A1組試樣壓敏電壓下降速率大于A2組和A3組，耐沖擊特性較A2組和A3組略差。

圖3為B1組、B2組、B3組試樣沖擊15 kA幅值8/20 μs 電流波壓敏電壓隨沖擊次數(shù)變化關(guān)系圖，圖中所反映出來(lái)的變化規(guī)律與圖2相符合。

圖3　B1組、B2組、B3組試樣沖擊8/20 μs 電流波壓敏電壓變化趨勢(shì)

3　結(jié)論

MOV芯片實(shí)際制造過(guò)程中，某些廠家在芯片出廠前會(huì)進(jìn)行“預(yù)老化”處理，可提升MOV性能。文中采用暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理MOV芯片，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可證明，暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后芯片沖擊性能有所提升，與實(shí)際制造工藝相符合。

MOV芯片受暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后，微觀電氣特性和宏觀耐沖擊特性發(fā)生改變。不同幅值暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理對(duì)芯片沖擊性能影響不同。研究表明：

(1)MOV芯片耐受暫態(tài)過(guò)電壓5 s后壓敏電壓會(huì)升高，沖擊性能會(huì)變好，耐8/20 μs 電流波沖擊次數(shù)多于未施壓芯片。

(2)MOV芯片耐受470 V暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后，沖擊性能好于耐受450 V過(guò)電壓芯片。

(3)利用雙肖特基勢(shì)壘導(dǎo)電機(jī)理分析工頻交流暫態(tài)過(guò)電壓瞬時(shí)作用下，晶界兩側(cè)勢(shì)壘均升高，非線性變好，并由試驗(yàn)驗(yàn)證此推論的合理性。

(4)暫態(tài)過(guò)電壓預(yù)處理后MOV芯片耐8/20 μs 電流波沖擊過(guò)程中壓敏電壓呈現(xiàn)下降-保持-下降過(guò)程，與未施壓芯片壓敏電壓變化過(guò)程有所不同。

參考文獻(xiàn)：

[1]AMICUCCI G L，F(xiàn)IAMINGO F，F(xiàn)LISOWSKI Z，et al．Surge protective devices for low voltage systems：practical approach for the protection distance evaluation．Power Tech，2007 IEEE Lausanne．IEEE，2007：778-782．

[2]MANSOOR A，MARTAZLOFF F．The effect of neutral earthing practices on lightningcurrent dispersion in a low-voltage installation．Power Delivery，IEEE Transactions on，1998，13(3)：783-792．

[3]秉鈞．金屬氧化物避雷器．北京：水利電力出版社，1993．

[4]DRABKIN M M．Surge protection of low-voltage AC power by MOV-based SPDs．Harmonics and Quality of Power．10th International Conference on．IEEE，2002，1：13-16．

[5]任曉明，蔡振新，傅正財(cái)．低壓電涌保護(hù)器暫態(tài)過(guò)電壓測(cè)試方法研究．高壓電器，2007，43(4)：248-249．

[6]張南法．電涌保護(hù)器應(yīng)用中幾個(gè)問(wèn)題的探討．低壓電器，2002 (4)：9-13．

[7]尹桂來(lái)，李建英，堯廣，等．ZnO壓敏陶瓷沖擊老化的電子陷阱過(guò)程研究．物理學(xué)報(bào)，2010，59(9)：6345-6350．

[8]章天金，周東祥．低壓 ZnO 壓敏陶瓷沖擊老化特性．電子元件與材料，1999，18(4)：18-19．

[9]李慧峰，王士良，許毓春，等．氧化鋅非線性電阻沖擊老化機(jī)理的研究．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1993(13)：25-31．

[10]楊仲江，張棖，柴健，等．氧化鋅壓敏電阻老化過(guò)程中非線性系數(shù)變化的研究．電子元件與材料，2011，30(9)：27-30．

[11]師正，譚涌波，柴健，等．MOV壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)變化的特征分析．電瓷避雷器，2012(5)：59-63．

[12]商鵬．氧化鋅壓敏電阻特性的研究：[學(xué)位論文]．南京：南京信息工程大學(xué)，2012．

[13]應(yīng)達(dá)，肖穩(wěn)安，趙軍，等．工頻過(guò)電壓對(duì)壓敏電阻影響的實(shí)驗(yàn)研究．電瓷避雷器，2012(6)：71-75．

[14]楊仲江，李強(qiáng)，張棖，等．MOV 在交直流電壓下耐受能力的試驗(yàn)研究．電瓷避雷器，2013(6)：42-47．

[15]李曉明，尹天文，王碧云．暫時(shí)過(guò)電壓威脅 SPD 安全使用的分析．低壓電器，2009(24)：37-40．

[16]龐馳，葉萃，費(fèi)自豪，等．ZnO壓敏防雷芯片工頻耐受與通流能力的相關(guān)性．電子元件與材料，2011，30(6)：26-28．

[17]何金良，劉俊，胡軍，等．電力系統(tǒng)避雷器用ZnO壓敏電阻研究進(jìn)展．高電壓技術(shù)，2011，37(3)：634-643．

[18]張郴莉．雙脈沖電流作用下氧化鋅電阻沖擊老化破壞機(jī)理的研究：[學(xué)位論文]．北京：中國(guó)科學(xué)院電工研究所，2001．

[19]WOKTERS D R，SEHOOT J V．Kinetics of charge trapping in duekeetries ．J ApplPhys，1985，58(2)：831-837．

[20]吳維韓，何金良，高玉明．金屬氧化物非線性電阻特性和應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，1998．

[21]劉俊，何金良，胡軍，等．ZnO壓敏電阻老化機(jī)理的研究進(jìn)展．電工電能新技術(shù)，2010，29(3)：63-67．