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压敏电阻失效不应使用电流保险丝替换

时间:2011-12-05 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

  基于压敏电阻的工作与失效机理,阐述了单独采用过电流保护方式应对压敏电阻失效的弊端,并提出了压敏电阻失效的最佳保护方式为过温保护。

  1 .引言

  随着科技的不断发展,物质生活的不断丰富,各式各样的家用电器已经成为人们日常生活必不可少的组成部分。我们在享受各种功能繁多的家用电器给生活带来方便的同时,也存在着家用电器巨大的安全隐患,我们经常可以在媒体上看到关于各种家用电器的安全问题引发的事故,主要有:火灾事故、爆炸事故及废旧电池等对环境造成污染事故等。引起火灾事故的发生又多与压敏电阻失效后未能及时脱离电路,造成系统电源不同程度的短路有关,本文主要浅述单独采用过电流保护方式应对压敏电阻失效的弊端,并提出了压敏电阻失效的最佳保护方式为过温保护。

  2 .压敏电阻的工作原理及失效机理

  氧化锌压敏电阻器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半导体陶瓷元件。MOV 具有独特的晶界结构,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,那么,当家用电器所接的电源中存在过电压时,MOV 晶界电子隧道效应抑制过电压峰值增长,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,无续流且成本较低等优点,已被首选使用在家用电器的电源入口作为过电压保护元件。

  MOV 具有很高的瞬时(纳秒级或微妙级)过电压抑制能力,但在暂时(毫秒级或秒级)过电压、过电流或频繁的浪涌电流冲击下,MOV 较容易出现老化现象。

  MOV 的失效主要有两种模式,一种为开路模式,该模式主要发生在MOV 流过远远超出自身能够承受的浪涌电流时,表征为MOV 本体炸裂,但这种模式不会引起燃烧现象,且出现在家用电器中概率是很低的;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:

  a、老化失效,这是指电阻体的低阻线性化逐步加剧,漏电流恶性增加且集中流入薄弱点,薄弱点材料融化,形成1kΩ 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;

  b、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。

  短路失效是引起压敏电阻起火燃烧的主要原因,从而导致家用电器发生火灾事故,以下是MOV在不同过电流试验后失效图片(参照UL1449 3rd 39.4 条款测试):

图1:MOV14D471 在600V*320mA 电流试验后图

图1:MOV14D471 在600V*320mA 电流试验后图

图2:MOV14D471 在600V*500mA 电流试验后图

图2:MOV14D471 在600V*500mA 电流试验后图

图3:MOV14D471 在600V*1A 电流试验后图片

图3:MOV14D471 在600V*1A 电流试验后图片

图4:MOV14D471 在600V*2A 电流试验后图片

图4:MOV14D471 在600V*2A 电流试验后图片

图5:MOV14D471 在600V*5A 电流试验后图片

图5:MOV14D471 在600V*5A 电流试验后图片

图6:MOV14D471 在600V*10A 电流试验后图片

图6:MOV14D471 在600V*10A 电流试验后图片

图7:MOV14D471 在600V*15A 电流试验后图片

图7:MOV14D471 在600V*15A 电流试验后图片

图8:MOV14D471 在600V*20A 电流试验后图片

图8:MOV14D471 在600V*20A 电流试验后图片

  说明:图4、图6 为人为切断电路后的照片;图1~3、图5、图7~8 为未人为切断电路前的照片。

  3 单独采用过流保护方式应对压敏电阻失效的现状分析

  3.1 压敏电阻MOV 与电流保险丝FUSE 的浪涌电流承受能力对比,见表1

表1

表1

  3.2 家用电器电路设计现状及矛盾

图9:空气调节器典型电路设计(截图)之一

图9:空气调节器典型电路设计(截图)之一

图10:空气调节器典型电路设计(截图)之二

图10:空气调节器典型电路设计(截图)之二

  从图9、图10 反映了目前家用电器电路设计的习惯思路,在MOV 前端置放了电流保险丝fuse,浪涌电流从电源端输入后先经过FUSE,再由流经MOV.如此有两个矛盾存在:

  a、MOV 与FUSE 的最大浪涌承受能力的矛盾,如表1 中所示;电路设计时,如果为了满足MOV 的浪涌电流承受能力时,就必须提高FUSE 的额定电流值,这样过大的电流额定值将严重降低对后置电路的过流保护效果,火灾隐患倍增;反之,为了保证FUSE 对后置电路的过流保护效果,就得按需要选择较小的额定电流值,同时也大幅减低了整个电路的浪涌承受能力,在客户使用过程中将出现FUSE 很容易断开。

  b、引起MOV 燃烧的击穿电流与FUSE 的断开电流的矛盾。

  如图1~图8 所示, 不管MOV 的浪涌承受能力的大小,MOV 在不同的过电流下就会引起高温、冒烟甚至燃烧;FUSE 只在MOV 因暂时过电压作用下、击穿电流快速增大到2 倍的FUSE额定电流时才能迅速断开电流;如果是MOV 老化引起的压敏电压逐渐下降,MOV 的漏电流缓慢增加而引发的MOV 燃烧,此时的FUSE 将无法断开电路。

  4 推荐应对压敏电阻失效的合适方案

  4.1 压敏电阻失效表征特点为本体温度快速上升,采用温度管理是最有效方式

  压敏电阻实际上是一种具有非线性伏安特性的敏感元件,在正常电压条件下,这相当于一只小电容器,而当电路出现过电压时,它的内阻急剧下降并迅速导通,其工作电流增加几个数量级,从而有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏,它的伏安特性是对称的,如图(11)a 所示。这种元件是利用陶瓷工艺制成的,它的内部微观结构如图(11)b 所示。微观结构中包括氧化锌晶粒以及晶粒周围的晶界层。其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N 型半导体,晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态,这样每一微观单元是一个背靠背肖特基势垒,整个陶瓷就是由许多背靠背肖特基垫垒串并联的组合体。

图(11)a 伏安特性曲线

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