压敏电阻的保护技术-过热保护技术-华巨电子压敏电阻厂家


1、压敏电阻早已成熟应用于防雷产品中,但是压敏电阻短路失效后给应用系统造成燃烧、爆炸的事故引起了客户的关注。无论是从电路原理上,还是机械结构上,压敏电阻的失效保护手段也各有利弊,设计人员需按应用系统环境来进行合理选择。


2、 压敏电阻特点

    氧化锌压敏电阻(MOV)是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物,典型的电子陶瓷工艺制成的多晶体半导体陶瓷元件,其微观结构如图1所示[1]。在一定电场下,晶界导电由热电子发射传导瞬间转变为电子隧道传导,其电阻阻值随着电压的增大而急剧减小,具有优异的非线性伏安特性。MOV晶界电子隧道随电压增长,吸收部分过电压能量,从而起到防护作用,MOV具有高通流容量,低残压,无续流且成本低等优点,在防雷产品的应用上已很成熟。


      但在暂时过电压、过电流或频繁的浪涌电流冲击下,MOV具有很高的瞬时过电压能力的同时,也较容易出现老化现象。

     压敏电阻的失效模式通常是短路,为了防止压敏电阻的失效造成电源短路而起火,一般情况下,压敏电阻上串联一个温度保险管。当压敏电阻失效时,产生的热量把温度保险管熔断,使失效压敏电阻与电路分离,确保设备的安全。

      同时也可采用压敏电阻与陶瓷气体放电管串联使用,正常工作时,陶瓷气体放电管不导通,压敏电阻没有漏电流,可以大大延长使用寿命。受浪涌冲击时,陶瓷气体放电管,最先击穿.由压敏电阻限制浪涌电压,总的残压为两者之和,略有增大(几十伏)。  

        冲击后,由于压敏电阻限制了电流,放电管不能维持导通而熄弧,恢复为正常I作状态;当压敏电阻短路失效后,陶瓷气体放电管因流过很大的工频电流也会很快失效,失效模式绝大多数是开路,不容易引起火灾。

  

3、 压敏电阻失效与危害    

     MOV的失效模式主要有两种,开路模式与短路模式。

    开路模式主要发生在MOV流过远远超出自身承受的浪涌电流时,表征为MOV本体炸裂,但这种模式不会引起燃烧现象;另一种为短路模式,大体上可分为老化失效和暂态过电压破坏两种类型:

    老化失效,这是指电阻体的低阻线性逐步加剧,漏电流恶性增加且集中注入薄弱点,薄弱点材料融化,形成一千欧左右的短路孔后,电源继续推动一个较大的电流灌入短路点,形成高热而起火。研究结果表明,若压敏电阻存在着制造缺陷,易发生早期失效,强度不大的电冲击的多次作用也会加速老化过程,使老化失效提早出现;

    暂态过电压破坏,这是指较强的暂态过电压使电阻体穿孔,导致更大的电流而高热起火,整个过程在较短时间内发生。

    短路失效模式造成的损失比较大。瞬间的高热会将压敏电阻的包封料炭化,迅速的膨胀将炭化料喷溅至周边器件与电路板上,造成拉弧现象。高热引起的持续自燃,也将对整个应用系统造成不可恢复性的破坏。


4  失效保护   

    为避免压敏电阻老化失效,对其进行保护措施,最佳的保护方式能够让失效的压敏电阻及时地脱离电路,从而避免连环火灾的发生。目前成熟的保护模式都是从过流与过热两个角度考虑。


4.1 过流保护

    过流保护是将压敏电阻与过流保险丝串联,当通过保险丝的电流达到一定的电流值后自动断开,以防止压敏电阻持续发热而造成老化失效。

    但此种保护模式,无法同时满足额定电流匹配与良好的过流保护效果。即满足压敏电阻的浪涌承受能力时,保险丝的额定电流值提高将严重降低对保护电路的过流保护效果,火灾隐患倍增;而保证保险丝对后置电路的保护效果时,保险丝较小的额定电流值又大幅减低整个电路的浪涌承受能力,在正常使用时可能会出现保险断开现象[2]。

    保险丝只在压敏电阻因暂时过电压作用下、击穿电流快速增大到两倍的保险丝额定电流时才能迅速断开电流,如果压敏电阻老化引起的压敏电压逐渐下降,压敏电阻的漏电流缓慢增加而引发的压敏电阻燃烧,此时的保险将无法断开电路。压敏电阻仍会引起高温、冒烟甚至燃烧。

       

4.2 过热保护

    过热保护是从压敏电阻在持续通过电流时产生的热量着手,对其进行保护的一种手段。压敏电阻的失效前兆是温度的快速提升,温度的提升速度大于漏电流的提升速度,在温度保险与压敏电阻具有良好的热耦合时,采用过热保护来判断压敏电阻的性能比较合适。目前分为温度保险丝技术与慢熔点机械脱扣技术两种。无论是哪种过温保护,其保护效果的关键在于热的采集与传递速度。

    温度保险丝技术是将压敏电阻和温度保险丝串联焊接并表面贴封装在一起,利用热传导将漏电流在压敏电阻上产生的热量传导温度保险丝上,在温度升高至温度保险丝的设定温度时,温度保险丝熔断,将压敏电阻从电路中切除。在实际应用中,有简单地将压敏电阻与温度保险丝贴在一起,中间使用散热胶导热,为加强紧贴性,外围使用热缩管套装。另外一种是将保险直接贴在无包封的压敏电阻上,再将两者用阻燃外壳封装起来,热传递效果较前者好,工艺处理也复杂些[3]。

    慢熔点机械脱扣是在压敏电阻的引脚处增加一个低熔点焊锡焊接点,然后用弹簧、弹片等机械外力将这个焊接点拉住。在压敏电阻漏电流过大,温度升高到一定程度时,焊接点的焊锡熔断,在外力作用下焊接点迅速分离,从而将压敏电阻从电路中切除,可以有效地防止压敏电阻起火燃烧。如同时设计了联动告警触点,还可发出告警信号。

    过热保护下电路基本排除后续短路的可能,被保护设备安全。此种保护模式安全性还是比较高的。温度保险丝技术存在着响应速度的问题。当压敏电阻与温度保险丝简单组装时,热传导路径长,响应速度过慢,热量是通过一定的热传导介质(填充材料)、温度保险丝壳体,温度保险丝的内部填充材料,然后才传到温度保险的熔体上,因此决定了温度保险丝的响应速度较慢。而压敏电阻与保险丝在阻燃壳内组合,即温度保险型压敏电阻(TMOV),是在氧化锌压敏电阻的镀银电极上焊接一个温度保险丝,保险丝再与压敏电阻的一个管脚相连,从而实现当温度过高时自动切断电路的功能。这种保险丝一般为低熔点合金。这种形式相对于简单组装型的导热效果要好。温度保险型压敏电阻(TMOV)对于小电流(或高阻抗)失效,温升缓慢,即由漏电流引起的失效有较好的保护效果,但如MOV在大电流失效时,由于在TCO与MOV之间的热传导存在介质,耦合性不足,由于温升迅速,有可能会出现MOV先燃,TCO后断的局面,此种情况在防雷器做暂时过电压试验时经常会发生,因此热保护效果并不彻底。而慢熔点机械脱扣式是经过反复设计与实验验证的,熔点与压敏电阻热度匹配较好,具有及时和准确性。由于热量传递不经过任何包封料,也不存在导热速度慢的问题[4]。

    过热保护还存在一些如可靠性、寿命问题。弹筑、弹片正常状态下处于拉伸状态,持续的拉伸状态会使其拉力不断减小,设计与使用时也要考虑拉力效果。保险丝在加强热循环的环境里约只有5年可靠寿命。在热循环的环境中,热熔保险丝需定期更换以维持正常运行。实验表明压敏电阻套热缩套管后,由于压敏电阻的散热受到影响,其最大耗散功率降低,从而影响了压敏电阻的工频电压耐受能力,从另一个角度来说,散热受到影响也会加速压敏电阻的老化,影响压敏电阻的使用寿命。慢熔点机械脱扣式的低熔点金属在受力点会流动、产生裂缝,处于弹簧拉力中的低熔点焊锡接点的焊锡同样会流动和产生裂缝,因此这种装置的最大问题是焊锡会老化,从而导致装置会无故断开。在实际应用中,焊锡老化要从爆料、焊点工艺、拉力、弹簧弹片形变量等方面着手进行优化。


4.3  其它

    过流、过温保护降低压敏电阻短路、持续燃烧的可能,但在压敏电阻已发生短路燃烧情况下,在封装、结构等方面也需要采取隔离等手段降低损失。

    隔离技术是将压敏电阻装在一个密闭的阻燃盒体内,与其它电路相隔离,防止压敏电阻烟雾和火焰的蔓延。在各种后备保护都失灵的情况下,隔离技术也不失为一种简单而行之有效的方法,但需要占用较大的设备空间,同时也要防止烟雾和火焰从盒体引线开孔的地方冒出来。

   灌封技术是将压敏电阻用一所树脂或有机硅材料灌封起来,起到防止压敏电阻在失效时会冒烟、起火和爆炸的作用。



一、灌封技术

  为防止压敏电阻在失效时会冒烟、起火和爆炸,会采用该技术将压敏电阻灌封起来,但由于压敏电阻在失效时内部会出现拉弧,导致密封材料失效,并产生碳,碳的产生又会使电弧得以维持,这样往往会导致设备内部短路及熏黑,甚至导致整个设备机房严重熏黑。

  压敏电阻套热缩套管后,由于压敏电阻的散热受到影响,其最大耗散功率降低,从而影响了压敏电阻的工频电压耐受能力,从另一个角度来说,散热受到影响也会加速压敏电阻的老化,影响压敏电阻的使用寿命。

  二、利用弹簧拉住低熔点焊锡技术

  这种技术是目前绝大多数防雷器厂家的限压型SPD采用的技术,在压敏电阻的引脚处增加一个低熔点焊锡焊接点,然后用一根弹簧将这个焊接点拉住,在压敏电阻漏电流过大,温度升高到一定程度时,焊接点的焊锡熔断,在弹簧的拉力作用下焊接点迅速分离,从而将压敏电阻从电路中切除,同时联动告警触点,发出告警信号。因为低熔点金属在受力点会流动和产生裂缝,处于弹簧拉力中的低熔点焊锡接点的焊锡同样会流动和产生裂缝,因此这种装置的最大问题是焊锡会老化,从而导致装置会无故断开。

三、隔离技术

  该技术将压敏电阻装在一个密闭的盒体内,与其它电路相隔离,防止压敏电阻烟雾和火焰的蔓延。在各种后备保护都失灵的情况下,隔离技术也不失为一种简单而行之有效的方法,但需要占用教大的设备空间,同时也要防止烟雾和火焰从盒体引线开孔的地方冒出来。

  四、热熔保险丝技术

  该技术是将用蜡保护的低熔点金属通过一定的工艺装在压敏电阻上,在压敏电阻漏电流过大,温度升高到一定程度时,低熔点金属熔断,从而将压敏电阻从电路中切除,可以有效地防止压敏电阻起火燃烧。但热熔保险丝存在可靠性问题,而且在加强热循环的环境里约只有5年可靠寿命。在热循环的环境中,热熔保险丝需定期更换以维持正常运行。

  五、温度保险丝技术

  该技术将压敏电阻和温度保险丝串联封装在一起,利用热传导将漏电流在压敏电阻上产生的热量传导温度保险丝上,在温度升高至温度保险丝的设定温度时,温度保险丝熔断,将压敏电阻从电路中切除。温度保险丝除了有同样有寿命和可靠性的问题外,利用温度保险丝对压敏电阻进行过热保护还存在以下问题:热传导路径长,响应速度过慢,热量是通过一定的热传导介质(填充材料)、温度保险丝壳体,温度保险丝的内部填充材料,然后才传到温度保险的熔体上,因此决定了温度保险丝的响应速度教慢。

5  结束语

    安全、可靠、适用的防雷产品,需要通过精心设计,反复的试验,经过小批量试产,通过恶劣环境的实际运行,才能得到最终的确认,针对压敏电阻失效保护的问题,压敏电阻制造商,SPD制造商与通信设备制造商都进行了比较深入的研究,并且都有自己的解决方案。

    每种失效保护模式都有长处和不足,在设计产品的时候,需要了解产品的应用场景,工作条件和可能出现的极端情况,这样才能有针对性地完成产品的设计与试验验证,使产品在实际运行中做到安全可靠

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