壓敏電阻的原理、參數(shù)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(chǎn)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(shù)和選型方法。

01

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(jīng)壓制成坯體，高溫燒結(jié)，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(jié)構(gòu)如下圖1所示。氧化鋅陶瓷是由氧化鋅晶粒及晶界物質(zhì)組成的，其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈N型半導體，晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物而形成大量界面態(tài)，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(lián)的組合體。

圖1.壓敏電阻微觀結(jié)構(gòu)

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(wěn)定狀態(tài)（近似開路） 轉(zhuǎn)向限壓狀態(tài)（高導電狀態(tài)）。

壓敏電阻典型V-I特性曲線

1）漏電流區(qū)：又稱為預擊穿區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，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(fā)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(qū)域是電路正常運行時壓敏電阻器所處的狀態(tài)。

2）工作區(qū)：又稱為 擊穿區(qū)：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(yōu)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(shù)，V為壓敏電阻器兩端的電壓，α為非線性系數(shù)，一般大于30 ，由上式可見，在擊穿區(qū)，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?qū)Φ蒯尫胚^電壓引起的浪涌能量。

3）上升區(qū)：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(qū)電流與電壓幾乎呈線性關系，壓敏電阻器在該區(qū)域已經(jīng)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(jù)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(chǎn)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(xiàn)的瞬態(tài)過電壓有優(yōu)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。

02

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壓敏電阻參數(shù)

1.壓敏電壓UN：即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值，大多數(shù)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(guī)定的溫度和最大持續(xù)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(shù)a值，即壓比的對數(shù)之倒數(shù)。

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(guī)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(tài)異常電壓，所以限制電壓是它的最重要的一個使用參數(shù)。有的技術(shù)標準，如IE61643-1，將規(guī)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(shù)據(jù)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(guī)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(shù)指標中規(guī)定Up的最大允許值。
7. 最大持續(xù)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(guī)定的條件（規(guī)定的時間間隔和次數(shù)，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(huán)境溫度為25℃情況下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)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(guī)定的條件（規(guī)定的時間間隔和次數(shù)，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(fā)生目視可見的機械損傷。

11. 靜態(tài)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(shù)：指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，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(shù)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(huán)境特性有：氣候，穩(wěn)態(tài)濕熱，溫度快速變化，上限溫度耐久性，濕熱環(huán)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(tǒng)電壓正常波動范圍的上限值，故障套件下的最高暫態(tài)電壓及其持續(xù)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(tǒng)電壓正常波動范圍的上限值和故障以及最高環(huán)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(guī)定條件下，壓敏電阻的沖擊壽命次數(shù)應大于壽命期內(nèi)沖擊源的沖擊次數(shù)；在系統(tǒng)電壓和沖擊源發(fā)生超過預期值的異常情況時，壓敏電阻不會起火，不會發(fā)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(tǒng)的影響，應在允許的范圍內(nèi)。

符合標準即符合相關的安規(guī)測試。

3.2選項舉例

1）規(guī)格681選型：

可承受最大持續(xù)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(shù)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(xù)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(xù)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(xù)工作電壓壽命，即壓敏電阻在規(guī)定環(huán)境溫度和系統(tǒng)電壓條件應能可靠地工作規(guī)定的時間（小時數(shù)）。二是沖擊壽命，即能可靠地承受規(guī)定的沖擊的次數(shù)；

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

5）壓敏電阻介入系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)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(xiàn)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(fā)生陶瓷炸裂現(xiàn)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(xiàn)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(lián)一個合適的斷路器或者保險絲，避免短路引起事故。

總結(jié)來說，壓敏電阻在吸收突波時，發(fā)生崩潰電壓降低時，將使其工作電流過大直至燒毀；發(fā)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(fā)生瓷片短路時將使其燒毀。當壓敏電阻的使用環(huán)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(xiàn)象，大體上可分為老化失效和暫態(tài)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(xù)推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。這種事故通常可以通過一個與壓敏電阻串聯(lián)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(jié)果表明，若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發(fā)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(xiàn)。②暫態(tài)過電壓破壞，這是指較強的暫態(tài)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(nèi)發(fā)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(shù)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(shù)資料中，推薦與壓敏電阻串聯(lián)電流熔絲（保險絲）進行保護。