1、MOV压敏电阻选型和计算要点压敏电阻器基础知识培训手册（第一版）孙丹峰 编著苏州中普电子有限公司二五年三月第一章 通用型氧化锌压敏电阻器1.1 什么是“压敏电阻器”“压敏电阻器”是中国大陆通用的名词，在中国台湾地区，它被称为“突波吸收器”；在日本，它被称为“變阻器”；国际电工委员会（IEC）在其标准中称之为“voltage dependent resistor”（简称VDR）；而在业界和学术界最广泛使用的名词则是“varistor”（即由variable和resistor两个英文单词组成的组合词）。从字面上理解，这些名词的含义为“电阻值随着外加电压敏感变化的电阻器”。那么压敏电阻器的电阻值是如
2、何随着外加电压变化敏感的呢？图1-1-1和表1-1-1可以给我们一个比较直观的说明。从中我们可以看到，型号为20D201K的压敏电阻器随着外加电压从180V上升到420V，其电阻值从18 M下降为0.42，在这个过程里，电压仅上升了2.33倍，而电阻值下降了4280多万倍。由此可见压敏电阻器的电阻值对外加电压的变化是非常“敏感”的。表1-1-1 20D201K压敏电阻器的电阻值随外加电压的变化U（V）180192200250310356420R（）1.81071.92106200103250313.560.42压敏电阻的确切定义可从材料、特性和用途三个方面综合得出。从材料组成上看，压敏电阻是由
3、电子级粉体材料氧化锌、氧化铋、氧化锑、氧化钛、氧化钴、氧化锰、氧化镍、氧化铬等多种氧化物合成的，其中，氧化锌的含量最高（约90），是主基料；其他各种过渡金属氧化物的含量相差很大，较多的占百分之几，较小的仅有十万分之几，被称为添加剂；压敏电阻就是由主基料和添加剂按照配方一一称好后，经球磨、喷雾造粒、干压成型、排胶、烧结、表面金属化、插片、包封、打标等一系列标准的精细电子陶瓷和通用元件工艺制造而成的。从特性或功能上看，压敏电阻器是一种电阻值随着外加电压敏感变化的电阻器，因此它的主要用途是：异常过电压的感知、抑制和浪涌能量的吸收。综上所述，我们可以给压敏电阻下这样一个定义：压敏电阻是由在电子级ZnO
4、粉末基料中掺入少量的电子级Bi2O3、Co2O3、MnO2 、Sb2O3、TiO2、Cr2O3、Ni2O3 等多种添加剂，经混合、成型、烧结等工艺过程制成的精细电子陶瓷；它具有电阻值对外加电压敏感变化的特性，主要用于感知、限制电路中可能出现的各种瞬态过电压、吸收浪涌能量。从以上定义我们可以看出：压敏电阻器既是一种过电压的传感器（sensor），同时又是过电压的抑制器；因此我们对压敏电阻器的要求不仅包括它作为传感器的各种技术指标，而且也包括它作为动作元件的特性、寿命和安全要求。由于压敏电阻器具有电阻值随着外加电压敏感变化的特性，所以它属于半导体陶瓷元件大家族中一员，其他的半导体陶瓷元件主要有，对
5、温度敏感的PTC、NTC以及各种气敏、湿敏、光敏、磁敏等元件。在压敏电阻的发展史上，除了氧化锌压敏电阻以外，还曾出现过齐纳二极管、SiC、硒堆、氧化锡等压敏电阻，由于齐纳二极管性价比较低、SiC、硒堆、氧化锡等压敏电阻的特性不能满足应用的需要，现在都已经被氧化锌压敏电阻取代；现在，我们一提到压敏电阻，几乎全部指的是氧化锌压敏电阻。氧化锌压敏电阻起源于日本。1967年7月，日本松下电器公司无线电实验室（Wireless Research Laboratory, Matsushita Electric Industry Co., Ltd）的松冈道雄在研究金属电极氧化锌陶瓷界面时，无意中发现ZnO+
6、Bi2O3复合陶瓷具有压敏特性。进一步的实验又发现，如果在以上二元系陶瓷中再加入微量的氧化锰、氧化钴、氧化铬、氧化锑等多种氧化物，这种复合陶瓷的非线性系数可以达到50左右，其外特性类似两支反并联在一起的齐纳二极管，通流能力不亚于SiC材料，临界击穿电压可以通过改变元件的尺寸方便地加以调节，而且这种性能优异的压敏元件通过简单的陶瓷工艺就能制造出来，因而性能价格比极高。1972年美国通用电气公司（GE）购买了松下有关氧化锌压敏材料的大部分专利和技术诀窍。自从美国掌握了氧化锌压敏材料的制造技术以后，有关这种材料的基础研究工作得以大规模地进行。自1980年代起，对氧化锌压敏材料的研究逐渐走出了企业。在
7、基础研究的指导和推动下，压敏电阻的性能得到不断的提升，应用领域不断扩大；产品的外形已从“阀片式”、“圆片引线式”发展到了“表面贴装式”和“阵列式”，使用电压等级已扩展到从5伏到50万伏的全系列，目前已经到了“有电必有压敏电阻”的程度。1.2 压敏电阻器的伏安特性和电性能参数与其他元件相比，压敏电阻器的电性能参数较多，若要很好地理解这些参数的意义，就要首先了解压敏电阻器的外加电压与流过压敏电阻器本体电流之间的关系，这个关系被称为伏安特性（V/I特性）。拐点压敏电阻的典型伏安特性如图1-2-1所示。由该图看出，V/I曲线可明显地分为三个区域：预击穿区(J=010-5A/cm2)、击穿区（J= 10
8、-510A/cm2）、回升区（J 10A/cm2）。预击穿区的V/I特性呈现lgJE1/2的关系，如图1-2-2所示。击穿区的特性呈观lgJlgE的关系，且可表示为：或 （1.2.1） 式中，K为常数、表示击穿区的非线性系数。回升区的特性呈现JE的欧姆关系。压敏电阻的伏安特性随温度的变化如图1-2-3所示。由该图可见预击穿区的V/I特性随温度变化很大，即在外加电压相同的情况下，流过压敏电阻的电流会随着环境温度的提高而大幅度增加；击穿区的V/I特性几乎不受温度的影响。虽然每只压敏电阻都有它特定的V/I特性曲线，但是同规格压敏电阻的V/I特性曲线又是比较近似的，我们在产品说明书中只要给出每个规格产
9、品的最典型V/I特性曲线，一般就可以满足用户的需要。从压敏电阻的典型伏安特性曲线（图1-2-1）我们可以很直观地理解压敏电阻的功能和大多数电性能参数的实际意义，及其它们的在应用中作用。下面，我们详细介绍压敏电阻的电性能参数。1.2.1 压敏电压UN（varistor voltage）和直流参考电流I0从压敏电阻的典型伏安特性曲线（图1-2-1）我们可以明显地看出：压敏电阻在其V/I特性曲线的预击穿区内有一个拐点，这个拐点对应着一个特定的拐点电压和一个特定的拐点电流；当外加电压高于这个拐点电压，压敏电阻就进入“导通”状态（电阻值变小）；当外加电压低于这个拐点电压，压敏电阻就进入了“截止”状态（电
10、阻值变大）。压敏电阻的最重要的特性就是电阻值随外加电压敏感变化，V/I特性曲线中的拐点电压最能反应压敏电阻的这一重要特性，因此我们可以将拐点电压理解为压敏电阻的压敏电压UN（导通和截止两种状态之间的临界电压）。由于压敏电阻是一种内部不完全均匀的陶瓷元件，即使是同一规格的压敏电阻，每只元件的拐点电流都不尽相同。为了标准化的需要，国际电工委员会（IEC）人为规定了两个测量压敏电阻拐点的直流参考电流I01mA和0.1mA（1mA用于瓷片直径7mm及其以上的压敏电阻器，0.1mA用于瓷片直径5mm及其以下的压敏电阻器）目前欧美国家已有只规定1mA为唯一的直流参考电流的发展趋势，但日本、中国大陆和中国台
11、湾仍然普遍保持使用两种直流参考电流的方法。由于拐点电流已被人为地规定了下来，因此压敏电压UN一般用更直观的符号U1mA或U0.1mA表示，就更加方便，目前几乎所有的压敏电阻生产商都使用U1mA或U0.1mA来表示压敏电压。从上面对压敏电压的定义上看，“压敏电压”一词已完全失去了其原有的拐点的含义。这是电子测量学和标准化与压敏电压的真实含义之间相互妥协的结果。多年的实践经验表明：IEC定义的压敏电压与实际拐点电压虽然在数值上不相等，但在大多数情况下也比较相近，IEC定义的压敏电压可视为拐点电压的近似值。在判定产品的压敏电压是否合格时，我们只能使用IEC的规定的方法，而不能使用测量实际拐点电压的方
12、法（如晶体管图示仪测量法）。通用压敏电阻器的瓷片直径有5mm、7mm、10mm、14mm和20mm五种，根据瓷片的截面积可知：IEC规定的压敏电压所对应的电流密度J在103A/cm2的数量级上，因此处于压敏电阻器V/I特性曲线的击穿区。压敏电压还有不同的称谓，如规定电流下的电压（IEC的标准名词）、breakdown voltage（国际学术界的说法）、击穿电压（中国大陆学术界对breakdown voltage的中译），崩溃电压（台湾学术界对breakdown voltage的中译）、阈值电压（世界物理学界的说法）、直流参考电压、导通电压等等。1.2.2 最大连续工作电压MCOV（maxim
13、um continuous operating voltage）由于压敏电阻具有正反向对称的伏安特性，因此它既可以应用于直流电路，也可以用于交流电路，最大连续工作电压MCOV指的是压敏电阻在应用时能长期承受的最大直流电压UDC或最大交流电压有效值URMS。压敏电阻有一个非常特殊的特性：长期的静态功率很小，而瞬间的动态功率很大，如瓷片直径20mm、U1mA为200V的压敏电阻，其长期的静态功率仅有1W，而在操作过电压下的瞬间动态功率却能达到50,000W，在雷击过电压作用下的瞬间动态功率则高达9,000,000W以上。由于压敏电阻的静态功率很小，因此施加在压敏电阻两端的长期工作电压绝对要小于其压
14、敏电压UN，否则压敏电阻将因不堪重负而烧毁。如压敏电阻用于交流电路，确定URMS的原则是：最大连续交流工作电压的峰值（URMS）不大于压敏电压UN的容差（10）下限值，用公式表达则为： （1.2.2）如压敏电阻用于直流电路，确定UDC的原则是：压敏电阻在UDC作用下的功耗与其在URMS作用下的功耗大体相等或略小与其在URMS作用下的功耗，以此原则得出的经验公式为：或 （1.2.3）式1.2.2和式1.2.3是科学工作者通过对压敏电阻长期研究后总结出的经验公式，其正确性已得到世界范围的公认。仔细研究世界各国不同压敏电阻厂家的产品样本可以发现，有的厂家给出的URMS和UDC是完全按照公式计算出来的
15、，而有的厂家给出的URMS和UDC则与计算值有些出入，笔者认为后者对用户采取了更负责任的态度；按照IEC相关标准的规定，生产厂家应通过标准的试验方法来确定其产品能够实际承受的URMS和UDC，具体规定的方法是在85的环境温度下，给压敏电阻持续施加URMS和UDC的计算值，经过1000小时后，如果试品的UN的变化不超过10，则压敏电阻的MCOV可按计算值向用户承诺，如达不到要求，就必须降额并再经试验验证后向用户提交真实的URMS和UDC值。1.2.3 漏电流IL（leakage current）在没有过电压的情况下，压敏电阻处于“截止”状态，因此不参与电路的正常工作；这时用户要求压敏电阻要安静地
16、“休息”，所有参数都不能在规定年限内发生明显的变化，更不能出现发热、起火现象。但即使在不导通的情况下，压敏电阻两端仍然有一定的工作电压存在（通过上面的介绍，我们已经知道：这个长期施加在压敏电阻上的电压最大也不会超过规定的URMS或UDC），同时压敏电阻在不导通的情况下也不是绝缘体，因此压敏电阻会在正常工作电压的驱动下产生一定量的泄漏电流（简称漏电流）。IEC对漏电流IL较为普遍的定义是：环境温度25时，在压敏电阻上施加其所属规格的最大连续直流工作电压UDC，流过压敏电阻的直流电流。有的厂家根据用户的特殊需要对个别规格的压敏电阻也规定了交流漏电流（有效值）的指标和相应的测量方法。由于交流漏电流在
17、使用上很不普遍，而且在测量上难度较大，这里不对它专门加以讨论，只需要指出一点：交流漏电流的大小不仅与交流电压（有效值）的大小有关，也和它的频率有关，频率越高，漏电流越大。另外，还有根据具体的压敏电压，按比例加压的测量漏电流的方法，这种方法一般仅用于压敏材料的研究，这里也不做详细介绍。虽然大多数生产厂家都没有在产品说明书中规定漏电流的具体指标，但是它并非无关紧要；经验表明：压敏电阻出厂时的初始泄漏电流与压敏电阻的寿命特性和安全性都有较为密切的关系，因此比较内行的用户会提出特殊的漏电流要求。一般而言，在材料配方和烧结工艺固定的情况下，漏电流适中的压敏电阻具有较好的安全性和较长的寿命；漏电流过大通常
18、会造成压敏电阻发热，发热又会引起压敏电压的下降和漏电流的进一步上升（参见图1-2-3）,如此循环往复，最终压敏电阻就会因温度过高而起火燃烧，造成很坏的影响。漏电流过小也不一定是好现象，有时压敏电阻虽然初始漏电流很小，但使用很短一段时间后漏电流迅速增大到不安全的程度；当然，漏电流随加压时间的变化规律与配方和工艺密切相关，在大多数情况下，生产厂家通过控制漏电流的最大值就可以取得较好效果。1.2.4 非线性指数（nonlinear coefficient）非线性指数是一个元件的电阻值是否随电压或电流变化和变化是否敏感的标志。前面我们已经提到，在其V/I特性曲线的击穿区，压敏电阻（非线性电阻器）的电流
19、I和电压U之间的关系为：（ 1，K为常数）；一般电阻器（线性电阻器）的电流I和电压U之间的关系为：（R亦为常数）。比较这两个表达式可知：一般电阻器（线性电阻器）就是取值为1时的压敏电阻器，因此公式（1，K为常数）可视为线性电阻和非线性电阻的V/I关系的通用表达式。1时为线性电阻，即电阻值不随电压变化； 1时为非线性电阻（即广义的压敏电阻），即电阻值随电压变化（电压上升则电阻值下降），越大，电阻值随电压的变化就越明显，或曰电阻值对电压越敏感。将公式两边取对数展开可得： （1.2.4）因此，非线性指数的几何意义为，以双对数坐标法绘制的V/I特性曲线的斜率的倒数。我们已经知道，压敏电阻的V/I特性双
20、对数曲线并不是一条直线，击穿区的特性接近于直线，但也不是严格意义上的直线，因此严格地说，压敏电阻的值并不是一个常数，在不同的电压或电流下的值是不同的。那么我们如何比较两只压敏电阻的非线性的高低呢？为了解决这个问题，IEC规定： （瓷片直径7mm及以上的压敏电阻） （1.2.5a）（瓷片直径5mm的压敏电阻） （1.2.5b）IEC规定的非线性指数实际上只能表示压敏电阻在0.1mA1mA或0.01mA0.1mA之间的平均非线性指数。由于击穿区的特性接近于直线，而且上述电流区域处于击穿区内，因此IEC规定的非线性指数可以近似地表示压敏电阻击穿后的整体非线性特性的好坏。1.2.5 残压UR（resi
21、dual voltage）、残压比KR和限制电压Up（clamping voltage）残压UR是指特定波形的浪涌（surge）电流流入压敏电阻器时，它两端电压的峰值。一般来说，流入压敏电阻器的浪涌电流的峰值都在1mA以上，对通用压敏电阻和防雷型压敏电阻而言，所谓特定波形指的是IEC本60060-2: 1973标准规定的8/20s标准雷电流波形，该波形如图1-2-4所示。图1-2-4中，01表示视在原点，Ts称为视在前沿时间，Tr称为视在半峰值时间，Im称为电流峰值。由于在示波器上很难精确地找到视在原点01，所以视在前沿时间Ts，和视在半峰值时间Tr都采用近似方法测量，具体方法是：在示波器上先
22、测量出T1的值，然后用公式Ts = 1.25T1近似得出Ts的值，视在半峰值时间Tr的实际测量的起点由01改为实际原点0。另外IEC允许用于测量的浪涌电流波形出现小幅度的反极性振荡。T1所谓8/20s标准雷电流波形是广义的浪涌电流波形的一种，含义为视在前沿时间Ts8s10、视在半峰值时间Tr20s10、反极性振荡幅值不大于20的浪涌电流波形，同时仪表量测Im的误差不得超过10。8/20s标准雷电流流过压敏电阻时，电流波形和电压波形的对应关系如图1-2-5所示，严格的说，电流波的峰值点和电压波的峰值点在时间上并不重合，电压波的峰值点一般略微超前于电流波的峰值点。实际上，我们前面介绍的压敏电阻的伏
23、安特性曲线的击穿区和回升区部分都是使用8/20s标准雷电流波形逐点测绘出来的，也就是说：压敏电阻的伏安特性曲线的击穿区和回升区表示的是压敏电阻用8/20s雷电波导通后的残压与8/20s标准雷电流波形的电流峰值之间的关系。应该指出的是：在电流峰值相同的情况下，流过压敏电阻的浪涌电流的波形参数不同，残压的具体测量值也会有所不同，视在前沿时间Ts对残压的影响比较大，Ts越小残压UR越大。残压比KR的定义公式为： （1.2.6）残压比可以比较直观地反应出压敏电阻限制过电压的能力，在压敏材料的研究工作中已得到广泛的应用，在防雷压敏电阻、避雷器阀片和高能型压敏电阻阀片中以成为标准电性能参数。表1-2-1
24、限制电压的考核电流IP的规定值瓷片直径（mm）571014202532403434IP(A)UN68V12.551020-UN68V5102550100150200300300所谓限制电压Up是残压UR的一种特殊形式，也是考核特定规格的压敏电阻抑制瞬态过电压能力的特征指标。首先，我们要针对不同片径的压敏电阻规定一个基本等效的考核电流IP，每种片径的压敏电阻的限制电压Up都要对应于这一规定好的考核电流（如表1-2-1所示）。其次，限制电压Up并不是我们根据IP测出的残压，而是各生产厂家自行规定的残压的上限值。因此，限制电压Up实际上是生产厂家向用户承诺的每个规格产品的保护电压水平。在IEC标准中
25、，限制电压又被称为等级电流下的电压。1.2.6 通流量（最大峰值电流/maximum peak current）Im压敏电阻能够承受的波形为8/20s的最大浪涌电流峰值，称为通流量Im。“能够承受”的含义是，冲击后的压敏电压UN的与冲击前相比不大于10，且同时不能发生目视可见的机械损伤。目前大多数厂家在说明书中通常给出两个通流量指标，一个是冲击一次的指标，另一个是冲击两次（间隔5分钟）的指标。1.2.7 最大能量Em（maximum permissible enery）最大能量Em是指压敏电阻能够耗散的规定波形的浪涌电流或脉冲电流的的最大能量。能够承受的含义是，冲击后的压敏电压UN的与冲击前相
26、比不大于10，且同时不能发生目视可见的机械损伤。Em与电流波形密切相关，IEC规定的能量测试波形为2ms标准方波，如图1-2-5所示。图1-2-5 2ms标准方波的波形参数示意图图1-2-5中，TD称为有效方波持续时间（亦写做T0.9），TT称为有效方波总时间（亦写做T0.1），I2ms称为方波（平均）电流。IEC60060-2: 1973规定：TD的公差为20和0，TT1.5TD，同时I/I和I/I不超过10。2ms标准方波电流流过压敏电阻时，压敏电阻的残压波形为2ms电压波，而且它比2ms电流波更加规整，我们用类似与测I2ms的方法测出压敏电阻在2ms范围的平均残压U2ms后，使用下式就可
27、计算出压敏电阻的实际耗散能量：（J） （1.2.7a）在日本和美国一般采用10/1000s的浪涌电流能量来等效代替2ms方波能量，同一只压敏电阻承受10/1000s的浪涌电流的能量大体为承受2ms方波电流能量的1.4倍。10/1000s波形浪涌电流下的能量按下式计算： （J） （1.2.7b） 为压敏电阻规定最大能量的原因，是通用型压敏电阻在实际应用时不仅会遭受雷击过电压，而且还会受到操作过电压的冲击；操作过电压是由电路中的电感性元件的充放电引起的一种感生电动势，它不仅电压高，而且放电时间较长（ms级），因此必须针对压敏电阻的操作过电压的能量耗散能力加以规定，才能确保压敏电阻的正常工作。1.2
28、.8 电压温度系数TC（temperature coefficient）如前所述，压敏电阻非线性V/I特性曲线的预击穿区的位置受温度的影响较大，击穿区受温度的影响较小。20D431K规格压敏电阻在I1mA范围内的V/I特性曲线随温度的变化如图1-2-6所示。从图1-2-6可以看出，在电流（直流）相同的情况下，压敏电阻的电压随温度的上升而下降，即压敏电阻的电压温度系数为负值。电流越小，电压随温度的变化越明显；1mA以上的电压随温度的变化不明显，一般可以忽略不计。压敏电压UN随温度的变化系数称为电压温度系数TC，其定义公式为：（/） （1.2.8）式中，Tupper为压敏电阻的上限类别温度（单位：
29、），即最高允许的使用温度。电压温度系数TC的定义公式实际上仅表示压敏电阻从常温到其上限类别温度范围内的平均电压温度系数，一般大于-0.05%/。严格说，电压温度系数不是一个常数，在不同温度下，TC值是不同的，不过通常不需要给出TC与温度的关系曲线。1.2.9 电容量C0压敏电阻在导通前的电阻值很大，可视为电介质材料，两个电极之间存在着pF级的电容。在工频下，如此之小的电容对被保护电路的正常工作几乎没有任何影响，但在高频或数字线路中，如不考虑压敏电阻的电容量，有时会造成信号失真或产生谐振。因此生产厂家应向用户提供压敏电阻的电容量参考数据（一般以最大值或典型值的方式），以便用户设计电路时参考。压敏
30、电阻的电容是目前它在高频电路和数字电路中应用较少的根本原因。1.2.10 响应时间一般意义上的响应时间是指一个元件从具备动作的条件到它开始动作之间的时间差，但是压敏电阻的响应时间并不是这样定义的，因此需要特别加以注意，以免混淆。在IEEE C62.33-1982标准中，压敏电阻的响应时间的定义如图1-2-7所示。图1-2-7中的电压Vc指压敏电阻对8/20s标准雷电流波的残压；当浪涌电流的峰值相等，但视在前沿时间TS比8s更短时，残压V1就会高于Vc，（V1Vc）称作电压过冲VOS。从V1峰值点时间t1到50VOS的过冲时间它t2之间的时间宽度（t2t1）称作压敏电阻的“响应时间”。的测量值一
31、般在25ns以内。IEEE定义的压敏电阻的响应时间并不是压敏电阻材料本身的特性，而是由测试波形、引线、印制电路版的布线方式、外部测试连接线，以及它们所构成的磁环路等外部原因造成的，根据这一定义，对8/20s标准雷电流波或TS8s的电流波，压敏电阻的响应时间0。如果采用一般意义上的响应时间的概念，美国GE测定的压敏电阻材料本身的响应时间不到1ns；加上引线后，整个元件的响应时间随引线的长度的增加可延长到50ns左右。很多压敏电阻的用户并不了解压敏电阻相应时间的正确定义，通常将响应时间从一般意义上去理解，并认为压敏电阻的相应时间没有半导体式的固体放电管TVS快。实际上，压敏电阻也是由一种半导体材料构成，它的响应时间与其他半导体材料的响应时间是类似的。压敏电阻和其他半导体过电压抑制元件的整体响应时间都比材料本身的响应时间大的多，因此IEEE标准C62.62第7.12条指出：“.对冲击电压波前的响应特性，依赖于侵入波的上升速率、冲击源阻抗、保护器件内部电抗的作用，以及抑制元件内部导电机理所决定的响应特性。换言之，对波前的响应，除
