氧化鋅壓敏電阻在直流環(huán)境下的老化機理研究

苑吉河，張 曦，黃雪昀，王遠平，潘成剛

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司，重慶401336；2.重慶恩信科技有限公司，重慶401122）

0 引言

電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟的重要命脈和發(fā)展動力。隨著電力系統(tǒng)運行電壓等級逐漸提高，系統(tǒng)日趨復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性承受越來越大的挑戰(zhàn)。雷電對電力系統(tǒng)具有較大的破壞作用，其造成的破壞可以分為直擊雷破壞和雷電感應(yīng)過電壓破壞，其中直擊雷破壞即雷電直接擊中輸電線路或電力設(shè)施及其附近造成的電力系統(tǒng)損壞。目前，直擊雷對建筑物造成的損壞已經(jīng)有較好的防護手段，一般使用滾球法樹立避雷針進行防護[1-2]。對于雷電感應(yīng)產(chǎn)生過電壓造成的損壞，目前人們普遍使用過電壓防護器件進行防護。在低壓系統(tǒng)中，電涌保護器（Surge Protection Device，SPD）憑借著自身的優(yōu)良非線性伏安特性、較大的通流能力，成為重要的過電壓防護器件[3-6]。電涌保護器中核心元件是氧化鋅壓敏電阻片，其性能的優(yōu)劣直接影響SPD防過電壓效果。但SPD長期帶電運行于線路中，內(nèi)部氧化鋅壓敏電阻片會出現(xiàn)老化劣化現(xiàn)象，從而抑制過電壓，泄放過電流的能力會減弱[7-8]。因此，對氧化鋅壓敏電阻的老化研究顯得非常重要。

目前，國內(nèi)外的學(xué)者們已經(jīng)對氧化鋅壓敏電阻老化進行了大量工作。Eda等[9]人通過研究發(fā)現(xiàn)：在電流作用后氧化鋅壓敏電阻自身溫度對熱激電流影響較大，呈正比例關(guān)系。此外，壓敏電阻的電容值會跟隨介電常數(shù)的改變而改變。他們利用離子遷移理論對這種現(xiàn)象進行了解釋。張從春等[10]在對離子遷移理論進行研究的基礎(chǔ)上提出了線性鏈理論，系統(tǒng)的解釋了氧化鋅壓敏電阻非線性消失現(xiàn)象。

筆者通過肖特基勢壘理論對對直流電流作用下，氧化鋅壓敏電阻老化規(guī)律進行分析研究，從而更好的了解安裝于直流線路中SPD老化情況。

1 氧化鋅壓敏電阻Schottky勢壘模型

氧化鋅壓敏電阻在使用過程中發(fā)生畸變可以用Schottky勢壘模型表示如下[10-11]。如圖1（a）所示，氧化鋅壓敏電阻勢壘平衡狀態(tài)。此時，氧化鋅壓敏電阻尚未老化，勢壘左右平衡。當(dāng)遭受大電流沖擊時，電子在界面積聚，形成電場，使得電子繼續(xù)向電場反方向運動。在此過程中，不斷有電子被捕獲，晶界層為保持電中性而產(chǎn)生空穴，并使得晶界層內(nèi)部電場增強，這加快了電子運動速度。在界面處，由于捕獲電子數(shù)目較多，使得陷阱濃度較大，電子在運動一定距離后被全部捕獲；存在于價帶中的空穴同樣可以被陷阱捕獲，從而導(dǎo)致陷阱表面密度下降。在反偏勢壘中，由于陷阱的存在，對剛注入的電子有一定的阻礙作用，導(dǎo)致空穴耗盡層變薄，界面空穴濃度增加，如圖1（b）所示。

繼續(xù)作用時，正偏晶界層處的陷阱將會被填滿，由于電場作用繼續(xù)移動過來的電子將會向深入移動，從而使得陷阱趨于飽和。當(dāng)某次陷阱飽和后，零電場將向反偏晶界移動，這導(dǎo)致反方向形成的熱刺激電流增大，與此同時，同樣增大了反偏晶界的中性費米能級。而向晶界層深處的遷移空穴將會被內(nèi)電場阻止，因此，Schottky勢壘高度明顯降低，如圖1（c）。

圖1 氧化鋅壓敏電阻Schottky勢壘畸變過程Fig.1 The Distortion process of ZnO Schottky barrier

2 試驗和分析

2.1 試驗樣品和測試儀器選擇

試驗選擇同一廠家、同一批次相同型號的ZnO壓敏電阻32R621K A、B，使用的靜態(tài)參數(shù)測試儀為CJ1001測量壓敏電阻，挑選靜態(tài)參數(shù)相近的6片壓敏電阻進行試驗。32R621K A、B ZnO壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)如表1所示，其中靜態(tài)參數(shù)漏流IL為在0.75U1mA下通過壓敏電阻的電流。在對ZnO壓敏電阻進行老化試驗時，使用恒流熱穩(wěn)定儀進行直流老化。

從表1中可以看出，氧化鋅壓敏電阻A1在未進行試驗時，正向壓敏電壓和反向壓敏電壓相差為2.1 V，壓敏電阻B1的U1mA相差僅1.2 V。這說明ZnO壓敏電阻未老化前，不具有極性效應(yīng)。正、負極性壓敏電阻相差不大，內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)分布均勻，肖特基勢壘左右兩邊高度對稱。

表1 ZnO壓敏電阻靜態(tài)參數(shù)Table 1 The static parameters of ZnO varistors

2.2 試驗及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 直流老化試驗過程

試驗接線圖如圖2所示，其中T1為可調(diào)變壓器，T2為升壓變壓器，R為電阻，D為二極管，C為電容，Rv為試驗氧化鋅壓敏電阻，在32R621K A兩端分別施加10 mA、20 mA和30 mA直流電流，分別作用10、15、20、25和30 min后，冷卻至室溫后測量其靜態(tài)數(shù)據(jù)，每次保持壓敏電阻正向通電。在32R621K B壓敏電阻兩端施加電流方向正、負交替的直流電流，電流大小分別10 mA、20 mA和30 mA，分別作用10、15、20、25和30 min后，靜置至室溫后測量靜態(tài)參數(shù)。

圖2 試驗接線圖Fig.2 Wiring diagram of test

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

表2和表3是32R621K A試驗過程中，正、方向靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。圖3為樣品32R621K A試驗過程中正、負向測量的壓敏電壓差圖。

表2 樣品32R621K A試驗過程中ZnO壓敏電阻U1mATable 2 The U1mAof 32R621k A ZnO varistor in the test process

通過表2，在正極性電流作用下，氧化鋅壓敏電阻正向壓敏電壓變化不大，但是反向測量其壓敏電壓時，壓敏電壓變化較大，說明氧化鋅壓敏電阻內(nèi)部肖特基勢壘壁已經(jīng)不對稱，出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，且通過表2觀察知，隨著電流的加大，時間的加長，這種老化現(xiàn)象越加明顯。通過圖3結(jié)合表2知，氧化鋅壓敏電阻在直流電流正向作用下，產(chǎn)生明顯的極性效應(yīng)。此外，壓敏電阻的極性效應(yīng)和老化程度均隨電流的增加而增大，當(dāng)達到最高點時，出現(xiàn)減慢的現(xiàn)象。

圖3 樣品32R621K A試驗過程中正、反向壓敏電壓差Fig.3 The difference between positive and negative U1mAof sample 32R621K A in the test process

表3 樣品32R621K A試驗過程中ZnO壓敏電阻ILTable 3 The ILof 32R621k A ZnO varistor in the test process

此外，觀察表3知，氧化鋅壓敏電阻漏電流呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。隨著時間的加長和電流的加大，漏電流越大。這從另一方面說明氧化鋅壓敏電阻隨著施加電流的加大以及施加時間的加長，老化越加明顯。當(dāng)在樣品A上施加小電流、短時間時，氧化鋅壓敏電阻的老化現(xiàn)象并不明顯，因為在老化前期，壓敏電阻片吸收的能量很少，表面溫度不高，內(nèi)部晶界層晶界結(jié)構(gòu)只能發(fā)生微小的變化，離子遷移不夠活躍，在電阻片冷卻恢復(fù)至室溫的過程中，晶界結(jié)構(gòu)得以恢復(fù)。而在壓敏電阻老化后期，電阻片吸收了大量的能量，內(nèi)部積聚較高的溫度，產(chǎn)生較大的熱刺激，使得內(nèi)部晶界層中的離子活動非常活躍，增大了離子遷移率，導(dǎo)致勢壘高度的降低；而當(dāng)外施電壓和溫度一定時，勢壘高度降低將導(dǎo)致漏電流的增大。長時間的大電流作用下，將會使得壓敏電阻片結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，肖特基勢壘高度降低，因此老化后期ZnO壓敏電阻漏電流明顯增大。

表4和表5是32R621K B壓敏電阻正、負極性直流作用后，靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。從表可知，正、負極性電流作用下，參數(shù)變化與僅正向通電的樣品A老化規(guī)律類似，但老化程度較小，極性效應(yīng)有所緩解。樣品B在正、負極性電流作用下，伏安特性極性效應(yīng)減小，出現(xiàn)極性補償現(xiàn)象。由表4可知，在老化后期壓敏電壓，正、負方向測量的壓敏電壓差值明顯減小，表明壓敏電阻在正、負極性交替作用下，極性效應(yīng)逐漸減小。

表4 樣品32R621K B ZnO壓敏電阻U1mATable 4 The U1mAof 32R621k B ZnO varistor

正、負極性電流交替作用時，ZnO壓敏電阻出現(xiàn)極性補償現(xiàn)象，使得肖特基勢壘高度下降不明顯，導(dǎo)致壓敏電阻老化程度較單一正極性電流作用下緩慢。

3 結(jié)論

針對直流電流作用下氧化鋅壓敏電阻老化問題，通過對氧化鋅壓敏電阻正極性和正、負極性直流交替作用下氧化鋅壓敏電阻老化規(guī)律進行了研究，得出以下結(jié)論：

1）氧化鋅壓敏電阻在直流電流單向作用下，產(chǎn)生明顯的極性效應(yīng)。此外，極性效應(yīng)和老化程度均隨電流的增加而增大，當(dāng)達到最高點時，出現(xiàn)減慢的現(xiàn)象。

表5 樣品32R621K B試驗過程中ZnO壓敏電阻ILTable 5 The ILof 32R621k B ZnO varistor in the test process

2）由于正、負極性電流交替作用時，ZnO壓敏電阻出現(xiàn)極性補償現(xiàn)象，使得肖特基勢壘高度下降變慢，從而導(dǎo)致壓敏電阻老化程度較單一極性電流作用下緩慢。

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