壓敏電阻標稱參數

壓敏電阻用字母“MY”表示，如加J為家用，后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分別用于穩壓、過壓保護、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補償、消磁、高能或高可靠等方面。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續電流，在用作過壓保護時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一般選擇標稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數。

1、所謂壓敏電壓

即擊穿電壓或閾值電壓。指在規定電流下的電壓值，大多數情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值，其產品的壓敏電壓范圍可以從10－9000V不等。可根據具體需要正確選用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關重要的，它關系到保護效果與使用壽命。如一臺用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5××220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470－480V之間。

2、所謂通流容量

即最大脈沖電流的峰值是環境溫度為25℃情況下，對于規定的沖擊電流波形和規定的沖擊電流次數而言，壓敏電壓的變化不超過± 10％時的最大脈沖電流值。為了延長器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應小于手冊中給出的產品最大通流量。然而從保護效果出發，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實際發生的通流量是很難精確計算的，則選用2－20KA的產品。如手頭產品的通流量不能滿足使用要求時，可將幾只單個的壓敏電阻并聯使用，并聯后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數值之和。要求并聯的壓敏電阻伏安特性盡量相同，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。

1 氧化鋅壓敏電阻的發展
1967年7月，日本松下電器公司無線電實驗室的松岡道雄在研究金屬電極—氧化鋅陶瓷界面時，無意中發現氧化鋅（ZnO）加氧化鉍（Bi2O3）復合陶瓷具有非線性的伏安特性。進一步實驗又發現，如果在以上二元系陶瓷中再加微量的三氧化二銻（Sb2O3）、三氧化二鈷（Co2O3）、二氧化錳（MnO2）、三氧化二鉻(Cr2O3)等多種氧化物，這種復合陶瓷的非線性系數可以達到50左右，伏安特性類似兩只反并聯的齊納二極管，通流能力不亞于碳化硅（SiC）材料，臨界擊穿電壓可以通過改變元件尺寸方便地加以調節，而且這種性能優異的壓敏元件通過簡單的陶瓷工藝就能制造出來，其性能價格比極高。
1.1 理論研究
1972年美國通用電氣公司（GE）購買了日本松下電器公司有關氧化鋅壓敏材料的大部分專利和技術決竅。自從美國掌握了氧化鋅壓敏陶瓷的制造技術以后，大規模地進行了這種陶瓷材料的基礎研究工作。自80年代起，對氧化鋅壓敏陶瓷材料的研究逐漸走進了企業。迄今為止，主要的理論研究工作都是在美國完成的。主要的研究課題有：
(1) 以解釋宏觀電性為目的的導電模型的微觀結構的研究（70～80年代）；
(2) 以材料與產品開發為目的的配方機理和燒結工藝的研究（70～80年代）；
(3) 氧化鋅壓敏陶瓷材料非線性網絡拓撲模型的研究（80～90年代）；
(4) 氧化鋅壓敏陶瓷復合粉體的制備研究（80～90年代）；
(5) 納米材料在氧化鋅壓敏陶瓷中的應用研究（90年代）。
1.2 研制開發
70年代末到80年代，基礎理論研究取得了重大進展。據不完全統計，截止到1998年，公開發表的論文和專利說明書等累計達700多篇，其中有關基礎研究的約占一半。在基礎研究的推動下，80～90年代，壓敏陶瓷的材料開發速度大大加快，目前已取得的成果有：
(1) 氧化鋅壓敏陶瓷的電壓梯度已從最初的150V/mm擴散到（20～250）V/mm幾十個系列，從集成電路到高壓、超高壓輸電系統都可以使用；
(2) 開發出大尺寸元件，直徑達120mm,2ms方波，沖擊電流達到1200A，能量容量平均可達300J/cm3左右；
(3) 汽車用（85～120）℃工作溫度下的高能元件；
　　(4) 視在介電常數小于500的高頻元件；
　　(5) 壓敏—電容雙功能電磁兼容（EMC）元件；
　　(6) 毫秒級三角波、能量密度750J/cm3以上的低壓高能元件；
　　(7) 老化特性好、電容量大、陡波響應快的無鉍（Bi）系氧化鋅壓敏元件；
　　(8) 化學共沉淀法和熱噴霧分解法壓敏電阻復合粉體制備技術；
　　(9) 壓敏電阻的微波燒結技術；
　　(10) 無勢壘氧化鋅大功率線性電阻。


2 壓敏電阻器的應用原理
壓敏電阻器是一種具有瞬態電壓抑制功能的元件，可以用來代替瞬態抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對IC及其它設備的電路進行保護，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態電流（如雷擊等）而造成對它們的損壞。使用時只需將壓敏電阻器并接于被保護的IC或設備電路上，當電壓瞬間高于某一數值時，壓敏電阻器阻值迅速下降，導通大電流，從而保護IC或電器設備；當電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時，壓敏電阻器阻值極高，近乎開路，因而不會影響器件或電器設備的正常工作。
壓敏電阻器的應用廣泛，從手持式電子產品到工業設備，其規格與尺寸多種多樣。隨著手持式電子產品的廣泛使用，尤其是手機、手提電腦、PDA、數字相機、醫療儀器等，其電路系統的速度要求更高，并且要求工作電壓更低，這就對壓敏電阻器提出了體積更小、性能更高的要求。因此，表面組裝的壓敏電阻器元件也就開始大量涌現，而其銷售年增長率要高于有引線的壓敏電阻器一倍多。
預計2002年壓敏電阻器的市場增長率為13％，其中，多層片式壓敏電阻器市場增長率為20％～30％，徑向引線產品增長率為5％～10％。需求主要來自于電源設備，包括DC電源設備、不間斷電源，以及新的消費類電子產品，如數字音頻/視頻設備、視頻游戲，數字相機等。片式壓敏電阻器已占美國市場銷售總額的40％～45％。（0402）尺寸的片式壓敏電阻器最受歡迎。0201尺寸的產品尚未上市。AVX公司的0402片式壓敏電阻器有5.6V、9V、14V和18V等幾種電壓范圍的產品，它們的額定功率為50mJ,典型電容值范圍從90pF(18V的產品)～360pF(5.6V的產品)。MaidaDevelopment公司也生產片式系列的壓敏電阻器，但目前只推出了非標準尺寸的產品，1210、1206、0805、0603和0402的產品正在試產。
Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產品。AVX和Littelfuse公司已推出電壓抑制器陣列，如AVX推出的Multiguard系列四聯多層陶瓷瞬態電壓抑制器陣列（即壓敏電阻器陣列）已經被市場接納。可節省50％的板上空間，75％的生產裝配成本。Multiguad系列采用1206型規格。其中有一種雙聯元件采用0805規格，工作電壓有5.6V、9V、14V和18V等幾種，額定功率為0.1J。AVX公司推出Transfeed多層陶瓷瞬態電壓抑制器。該產品綜合了公司Transguard系列壓敏電阻器和Feedthru系列電容器/濾波器的功能。采用0805規格。該組件具有性能優勢，更快的導通時間（或稱響應時間，在200ps～250ps之間）和更小的并行系數。
Littelfuse制造的MLN浪涌陣列組件1206規格，內裝4只多層壓敏電阻器。該產品的ESD達到IEC671000－4－2第四級水平。其主要特性包括：感抗(1nH)，相鄰通道串擾典型值50dB（頻率1MHz時），在額定電壓工作狀態下，漏電流為5A,工作電壓高達18V，電容值可由用戶指定。這種MLN貼片組件可用于板級ESD保護，應用領域包括手持式產品、電腦產品、工業及醫療儀器等。
EPCOS公司推出了T4N－A230XFV集成浪涌抑制器，內含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產品用于電信中心局和用戶線一側的通信設備保護。

3 壓敏電阻的選用
選用壓敏電阻器前，應先了解以下相關技術參數：標稱電壓（即壓敏電壓）是指在規定的溫度和直流電流下，壓敏電阻器兩端的電壓值。漏電流是指在25℃條件下，當施加最大連續直流電壓時，壓敏電阻器中流過的電流值。等級電壓是指壓敏電阻中通過8／20等級電流脈沖時在其兩端呈現的電壓峰值。通流量是表示施加規定的脈沖電流（8／20μs）波形時的峰值電流。浪涌環境參數包括最大浪涌電流Ipm（或最大浪涌電壓Vpm和浪涌源阻抗Zo）、浪涌脈沖寬度Tt、相鄰兩次浪涌的最小時間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預定工作壽命期內，浪涌脈沖的總次數N等。
3.1 標稱電壓選取
一般地說，壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱電壓，即使在電源波動情況最壞時，也不應高于額定值中選擇的最大連續工作電壓，該最大連續工作電壓值所對應的標稱電壓值即為選用值。對于過壓保護方面的應用，壓敏電壓值應大于實際電路的電壓值，一般應使用下式進行選擇：
VmA＝av／bc
式中：a為電路電壓波動系數，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數，一般取0.9；
這樣計算得到的VmA實際數值是直流工作電壓的1．5倍，在交流狀態下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1．414倍。另外，選用時還必須注意：
(1) 必須保證在電壓波動最大時，連續工作電壓也不會超過最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；
(2) 在電源線與大地間使用壓敏電阻時，有時由于接地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標稱電壓的壓敏電阻器。
3.2 通流量的選取
通常產品給出的通流量是按產品標準給定的波形、沖擊次數和間隙時間進行脈沖試驗時產品所能承受的最大電流值。而產品所能承受的沖擊數是波形、幅值和間隙時間的函數，當電流波形幅值降低50％時沖擊次數可增加一倍，所以在實際應用中，壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產品的最大通流量。
3.3 應 用
圖1所示是采用壓敏電壓器進行電路浪涌和瞬變防護時的電路連接圖。對于壓敏電阻的應用連接，大致可分為四種類型：
第一種類型是電源線之間或電源線和大地之間的連接，如圖1（a）所示。作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場合是在電源線及長距離傳輸的信號線遇到雷擊而使導線存在浪涌脈沖等情況下對電子產品起保護作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對線間的感應脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對傳輸線和大地間的感應脈沖有效。若進一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來，則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。
第二種類型為負荷中的連接，見圖1（b）。它主要用于對感性負載突然開閉引起的感應脈沖進行吸收，以防止元件受到破壞。一般來說，只要并聯在感性負載上就可以了，但根據電流種類和能量大小的不同，可以考慮與R－C串聯吸收電路合用。
第三種類型是接點間的連接，見圖1（c）。這種連接主要是為了防止感應電荷開關接點被電弧燒壞的情況發生，一般與接點并聯接入壓敏電阻器即可。
　　第四種類型主要用于半導體器件的保護連接，見圖1（d）。這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導體器件，一般采用與保護器件并聯的方式，以限制電壓低于被保護器件的耐壓等級，這對半導體器件是一種有效的保護。

4 氧化鋅壓敏電阻存在的問題
　　現有壓敏電阻在配方和性能上分為相互不能替代的兩大類：
4.1 高壓型壓敏電阻
高壓型壓敏電阻，其優點是電壓梯度高（100～250V/mm）、大電流特性好（V10kA/V1mA≤1.4）但僅對窄脈寬(2≤ms)的過壓和浪涌有理想的防護能力，能量密度較小，（50～300）J/cm3。
4.2 高能型壓敏電阻
高能型壓敏電阻，其優點是能量密度較大（300J/cm3～750J/cm3），承受長脈寬浪涌能力強，但電壓梯度較低（20V/mm～500V/mm），大電流特性差（V10kA/V1mA>2.0）。
　　這兩種配方的性能差別造成了許多應用上的“死區”，例如：在10kV電壓等級的輸配電系統中已經廣泛采用了真空開關，由于它動作速度快、拉弧小，會在操作瞬間造成極高過壓和浪涌能量，如果選用高壓型壓敏電阻加以保護（如氧化鋅避雷器），雖然它電壓梯度高、成本較低，但能量容量小，容易損壞；如果選用高能型壓敏電阻，雖然它能量容量大，壽命較長，但電壓梯度低，成本太高，是前者的5～13倍。
　　在中小功率變頻電源中，過壓保護的對象是功率半導體器件，它對壓敏電阻的大電流特性和能量容量的要求都很嚴格，而且要同時做到元件的小型化。高能型壓敏電阻在能量容量上可以滿足要求，但大電流性能不夠理想，小直徑元件的殘壓比較高，往往達不到限壓要求；高壓型壓敏電阻的大電流特性較好，易于小型化，但能量容量不夠，達不到吸能要求。目前中小功率變頻電源在國內外發展非常迅速，國內銷售量已近100億元/年，但壓敏電阻在這一領域的應用幾乎還是空白。
　　解決上述問題的有效方法是提高高壓型壓敏電阻的能量密度，或提高高能型壓敏電阻的電壓梯度和非線性系數（降低殘壓比），即開發高壓高能型壓敏電阻。


5 應用納米材料改性壓敏電阻
氧化鋅壓敏陶瓷屬體型壓敏材料，電壓、電流特性對稱，壓敏電壓和通流能力可以控制，具有很高的非線性系數，成為當今壓敏材料中的一個重要分支。為了解決高壓型壓敏電阻與高能型壓敏電阻應用上的“死區”，提出添加納米材料進行壓敏電阻改性實驗研究，制得高壓高能型壓敏電阻，將能大幅度提高電壓梯度、非線性系數和能量密度。
到目前為止，在亞微米級前驅粉體基礎上進行的各種傳統改性研究（粉體制備方法的改進、配方和燒結工藝調整等），均無法解決高壓高能問題，實現高壓高能壓敏電阻是公認的難題。壓敏行業的專家普遍認為：發展多學科交*研究，利用新技術、新材料對壓敏電阻進行改性是解決問題的關鍵。在各種新技術、新材料的應用方面，納米材料已得到廣泛重視，也正在形成一種新的發展趨勢。目前國內外有相當一批學者正在著手這方面的研究，初步研究結果已經顯示出采用納米材料是實現高壓高能的有效途徑。
　　在國外由前南斯拉夫塞爾維亞科學院Milosevic1994年使用高能球磨法，制成平均粒徑100nm以下的復合ZnO壓敏電阻粉末，經高溫燒結而成的壓敏電阻，非線性系數達到45，燒成密度達到理論密度的99％，而且漏電流比較小。
　　

由此可見，納米材料可以大幅度提高電壓梯度、非線性系數（即降低殘壓比，改善大電流特性）和能量密度，對實現壓敏電阻和高壓高能具有重要意義。
　　但是，當前文獻報道所涉及的研究方法僅限于全部使用納米材料，這種方法工藝復雜、成本高，不便于生產應用。而在采用納米添加法領域內（使用少量或微量的納米粉與亞微米粉相結合的方法），對壓敏電阻進行改性研究，這種方法的優點在于：
　　納米添加法具有選擇性，可根據不同的應用需要，有目的地進行單組份納米添加實驗，尋求改性效果最佳的納米材料和添加比例，因而原料成本不會大幅度增加。
　　制備方法簡單，基本上改變壓敏電阻的現有生產方法，研究成果便于直接應用到生產實際中去。

6 結 論
綜上所述，壓敏電阻器應用趨向為：有引線的壓敏電阻器近兩年來仍有一定幅度的增長，目前為總需求的55％～60％；由于手持式電子產品的廣泛使用，片式無引線壓敏電阻器市場增長率將不斷提高，將逐步超過有引線的壓敏電阻器產量，成為今后的主流產品。在研究和產品開發方面，采用納米添加改性壓敏電阻，研究開發一種全新概念的氧化鋅壓敏電阻，實現壓敏電阻的高壓高能化，將具有很好的市場前景和實際應用價值。