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氧化锌压敏电阻820μS脉冲电流下的伏安特性曲线分析

归档日期:05-09       文本归类:多分辨率曲线      文章编辑:爱尚语录

  峰值和电压峰值不同时到达,电压峰值早于电流峰值,上升沿的和下降沿的不相重合且形成回线特征;有的认为是

  回线特征自然联想到电感效应。虽然以往的试验采用各种方法减少或消除压敏电阻器在8/20S脉冲电流测试中的电感,但压敏电阻器的伏安特性回线特征仍然不能被消除。这到底是因为电感无法消除还是回线特征就是压敏陶瓷体的本征特性呢?

  其实,因为压敏陶瓷体不可能采用零引出,减小引线长度、采用中空阀片和采用凯文接线法等只能尽可能减小电感,在压敏电阻器冲击测量时电感是无法完全消除的。即使采用零长度引出线将电流通入压敏陶瓷体表面电极,电流也须在表面电极上重新分配到每一点,表面电极的电流通道构成了等效电感。压敏电阻电极等效电感和测试点间的引线电感共同构成压敏电阻器引出电感。引出电感不可消除。引出电感肯定对回线特征有贡献。

  本文就是试图对压敏电阻器在8/20S脉冲电流下伏安特性曲线的回线特征进行半定量的分析,确认回线特征是否压敏陶瓷休的本征特性。

  如图1氧化锌压敏电阻在8/20S脉冲电流下击穿以后的电流区下的等效电路。其中L为压敏电阻的引出电感和陶瓷体等效电感,RV为压敏电阻陶瓷体敏感电阻(含非线性晶界和晶粒),Rs为引出电阻,i为流过压敏电阻器的电流,V(i)为压敏电阻器上的总压降,VV(i)为压敏电阻陶瓷体敏感电阻压降,Vr (i)为引出电阻上的电压降,di/dt为电流随时间的变化率,脉冲电流时di/dt为电流的函数,则电感上的电压降为Ldi /dt。

  根据等效电路图1,串联电感不能为零,电感的存在一定会在冲击测试时产生伏安特性的回线,上升段电压高于下降段,这和压敏电阻器回线特征很一致。由此提出假设,回线是等效电感引起的,将等效电感作常量看待,压敏陶瓷体的电阻是一个纯可变电阻,引出电阻和压敏陶瓷体的电阻上的电压降只与电流大小有关而与电流时间变化率无关。可以得出:

  在8/20S脉冲电流上升沿,压敏电阻器上的电压可以表示成式(1)

  在8/20S脉冲电流下降沿,压敏电阻器上的电压可以表示成式(2)

  在8/20S脉冲电流下降沿,对应于同一电流值,压敏电阻器陶瓷体上的压降相同,如式(3a); 同时,引出电阻上的电压降相同,如式(3b)。

  在8/20S脉冲电流下降沿,对应于同一电流值,将式(1)和式(2)相减得式(4),上升沿和下降沿对应于同一电流值的等效电感上的上升下降沿电压差,是上升沿和下降沿电流时间变化率差值的函数。在已知等效电感上的上升下降沿电压差与上升沿和下降沿电流时间变化率差值时,就可以计算等效电感值。

  试验样品为20D101(中压料)、20D620(低压料)、32D560(低压料)和32D101(低压料)各1只,20D产品引线mm、测试点为引线D产品引线mm、 测试点为引线mm平行引线电压降测量。

  冲击发生器为SK-20KA,用设备的分流器进行电流取样,直接在压敏电阻器的两引线根部取样电压信号,用TDS102示波器依次显示和测量电流和电压信号。冲击电流波形为8/20S,峰值为2.0kA和3.0kA。

  图2为测试的压敏电阻器在8/20uS冲击下的伏安特性回线特征图的示例,曲线显见呈现明显的回线特征,上升沿电压大于下降沿。图3和图4为示波器捕获的电流和电压波形,电压峰值先于电流峰值,不像简单的电感,在电流峰值处电流时间变化率为零,但显示此时平行引线首尾测试点间的电压不相等,过了峰值电流后才达到相等的电压值,将各测试中电流峰值点与电引线上电压为零的时间差、零电压时的电流值列于表1,可以很确定地说,引线上的电阻效应不可忽略。

  图2 产品在3.1KA的8/20S脉冲电流下的伏安特性部分曲线S脉冲电流下产品引线及纯引线首尾处电压相等点与电流峰值的差别

  披银陶瓷体等效电感,包含陶瓷体等效电感的电极等效电感。将测试的32D560产品和32D101产品的上升沿和下降沿电压差作比较,32D101和32D560披银陶瓷体等效电感与厚度的比较结果列于表8。20D101和20D560披银陶瓷体等效电感与厚度的比较列于表9。由表8显示,32D101是32D560厚度的1.25倍,前者披银陶瓷体的等效电感是后者的1.16倍,20D101的厚度是20D620厚度的0.76倍,而前者的披银陶瓷体的等效电感是后者的1.28倍。

  以上电感与陶瓷体厚度的不对应关系说明,陶瓷体厚度不是披银陶瓷体等效电感的主要影响因素。可以作这样的解释,陶瓷厚度是形成电极等效电感的因素,将电极包围的面积和5cm导线包围的面积相比较没有超过1/20,是可以忽略不计的,这样电极等效电感会小于5nH,当然在70nH以上的陶瓷体等效电感中确实不算什么,而这么大的披银陶瓷体等效电感与产品的压敏电压呈明显的正相关,压敏电压与晶界数量成正比。说明披银陶瓷体等效电感主要来源于晶界,所以披银陶瓷体的等效电感只有很少一部分来源于电极等效电感,来源于晶界的陶瓷体等效电感远大于电极等效电感。

  [3] 孙丹峰,季幼章,姚学玲,陈景亮,张俊峰等.氧化锌压敏电阻8/20us冲击电流下的伏安特性.半导体器件应用 中国电子学会敏感技术分会第十四届电压敏学术年会论文, 2007:1~5

  [4] 张俊峰,夏波,孙丹峰等.氧化锌压敏电阻老化机理再探索.半导体器件应用 中国电子学会敏感技术分会第十六届电压敏学术年会论文专刊,2009:68~72

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