【正文】 專業(yè)資料整理分享 壓敏電阻器基礎知識培訓手冊（第一版）孫丹峰 編著蘇州中普電子有限公司二〇〇五年三月第一章 通用型氧化鋅壓敏電阻器 什么是“壓敏電阻器”“壓敏電阻器”是中國大陸通用的名詞，在中國臺灣地區(qū)，它被稱為“突波吸收器”；在日本，它被稱為“變阻器”；國際電工委員會（IEC）在其標準中稱之為“voltage dependent resistor”（簡稱VDR）；而在業(yè)界和學術(shù)界最廣泛使用的名詞則是“varistor”（即由variable和resistor兩個英文單詞組成的組合詞）。從字面上理解，這些名詞的含義為“電阻值隨著外加電壓敏感變化的電阻器”。那么壓敏電阻器的電阻值是如何隨著外加電壓變化敏感的呢？圖111和表111可以給我們一個比較直觀的說明。從中我們可以看到，型號為20D201K的壓敏電阻器隨著外加電壓從180V上升到420V，其電阻值從18 ，在這個過程里，而電阻值下降了4280多萬倍。由此可見壓敏電阻器的電阻值對外加電壓的變化是非?！懊舾小钡?。表111 20D201K壓敏電阻器的電阻值隨外加電壓的變化U（V）180192200250310356420R（Ω）10710620010325031壓敏電阻的確切定義可從材料、特性和用途三個方面綜合得出。從材料組成上看，壓敏電阻是由電子級粉體材料－氧化鋅、氧化鉍、氧化銻、氧化鈦、氧化鈷、氧化錳、氧化鎳、氧化鉻等多種氧化物合成的，其中，氧化鋅的含量最高（約90％），是主基料；其他各種過渡金屬氧化物的含量相差很大，較多的占百分之幾，較小的僅有十萬分之幾，被稱為添加劑；壓敏電阻就是由主基料和添加劑按照配方一一稱好后，經(jīng)球磨、噴霧造粒、干壓成型、排膠、燒結(jié)、表面金屬化、插片、包封、打標等一系列標準的精細電子陶瓷和通用元件工藝制造而成的。從特性或功能上看，壓敏電阻器是一種電阻值隨著外加電壓敏感變化的電阻器，因此它的主要用途是：異常過電壓的感知、抑制和浪涌能量的吸收。綜上所述，我們可以給壓敏電阻下這樣一個定義：壓敏電阻是由在電子級ZnO粉末基料中摻入少量的電子級Bi2OCo2OMnO2 、Sb2OTiOCr2ONi2O3 等多種添加劑，經(jīng)混合、成型、燒結(jié)等工藝過程制成的精細電子陶瓷；它具有電阻值對外加電壓敏感變化的特性，主要用于感知、限制電路中可能出現(xiàn)的各種瞬態(tài)過電壓、吸收浪涌能量。從以上定義我們可以看出：壓敏電阻器既是一種過電壓的傳感器（sensor），同時又是過電壓的抑制器；因此我們對壓敏電阻器的要求不僅包括它作為傳感器的各種技術(shù)指標，而且也包括它作為動作元件的特性、壽命和安全要求。由于壓敏電阻器具有電阻值隨著外加電壓敏感變化的特性，所以它屬于半導體陶瓷元件大家族中一員，其他的半導體陶瓷元件主要有，對溫度敏感的PTC、NTC以及各種氣敏、濕敏、光敏、磁敏等元件。在壓敏電阻的發(fā)展史上，除了氧化鋅壓敏電阻以外，還曾出現(xiàn)過齊納二極管、SiC、硒堆、氧化錫等壓敏電阻，由于齊納二極管性價比較低、SiC、硒堆、氧化錫等壓敏電阻的特性不能滿足應用的需要，現(xiàn)在都已經(jīng)被氧化鋅壓敏電阻取代；現(xiàn)在，我們一提到壓敏電阻，幾乎全部指的是氧化鋅壓敏電阻。氧化鋅壓敏電阻起源于日本。1967年7月，日本松下電器公司無線電實驗室（Wireless Research Laboratory, Matsushita Electric Industry Co., Ltd）的松岡道雄在研究金屬電極—氧化鋅陶瓷界面時，無意中發(fā)現(xiàn)ZnO+Bi2O3復合陶瓷具有壓敏特性。進一步的實驗又發(fā)現(xiàn)，如果在以上二元系陶瓷中再加入微量的氧化錳、氧化鈷、氧化鉻、氧化銻等多種氧化物，這種復合陶瓷的非線性系數(shù)可以達到50左右，其外特性類似兩支反并聯(lián)在一起的齊納二極管，通流能力不亞于SiC材料，臨界擊穿電壓可以通過改變元件的尺寸方便地加以調(diào)節(jié)，而且這種性能優(yōu)異的壓敏元件通過簡單的陶瓷工藝就能制造出來，因而性能—價格比極高。1972年美國通用電氣公司（GE）購買了松下有關(guān)氧化鋅壓敏材料的大部分專利和技術(shù)訣竅。自從美國掌握了氧化鋅壓敏材料的制造技術(shù)以后，有關(guān)這種材料的基礎研究工作得以大規(guī)模地進行。自1980年代起，對氧化鋅壓敏材料的研究逐漸走出了企業(yè)。在基礎研究的指導和推動下，壓敏電阻的性能得到不斷的提升，應用領(lǐng)域不斷擴大；產(chǎn)品的外形已從“閥片式”、“圓片引線式”發(fā)展到了“表面貼裝式”和“陣列式”，使用電壓等級已擴展到從5伏到50萬伏的全系列，目前已經(jīng)到了“有電必有壓敏電阻”的程度。 壓敏電阻器的伏安特性和電性能參數(shù)外加電壓 E ( V/mm) 電流密度 J ( A/cm2 ) 圖121 壓敏電阻的伏安特性（24℃）與其他元件相比，壓敏電阻器的電性能參數(shù)較多，若要很好地理解這些參數(shù)的意義，就要首先了解壓敏電阻器的外加電壓與流過壓敏電阻器本體電流之間的關(guān)系，這個關(guān)系被稱為伏安特性（V/I特性）。拐點壓敏電阻的典型伏安特性如圖121所示。由該圖看出，V/I曲線可明顯地分為三個區(qū)域：預擊穿區(qū)(J=0~105A/cm2)、擊穿區(qū)（J= 105~10A/cm2）、回升區(qū)（J 10A/cm2）。預擊穿區(qū)的V/I特性呈現(xiàn)lgJ∝E1/2的關(guān)系，如圖122所示。圖122 預擊穿區(qū)的伏安特性(V1/2)擊穿區(qū)的特性呈觀lgJ∝lgE的關(guān)系，且可表示為： 或 （） 式中，K為常數(shù)、α表示擊穿區(qū)的非線性系數(shù)。圖123 不同溫度下的伏安特性回升區(qū)的特性呈現(xiàn)J∝E的歐姆關(guān)系。壓敏電阻的伏安特性隨溫度的變化如圖123所示。由該圖可見預擊穿區(qū)的V/I特性隨溫度變化很大，即在外加電壓相同的情況下，流過壓敏電阻的電流會隨著環(huán)境溫度的提高而大幅度增加；擊穿區(qū)的V/I特性幾乎不受溫度的影響。雖然每只壓敏電阻都有它特定的V/I特性曲線，但是同規(guī)格壓敏電阻的V/I特性曲線又是比較近似的，我們在產(chǎn)品說明書中只要給出每個規(guī)格產(chǎn)品的最典型V/I特性曲線，一般就可以滿足用戶的需要。從壓敏電阻的典型伏安特性曲線（圖121）我們可以很直觀地理解壓敏電阻的功能和大多數(shù)電性能參數(shù)的實際意義，及其它們的在應用中作用。下面，我們詳細介紹壓敏電阻的電性能參數(shù)。 壓敏電壓UN（varistor voltage）和直流參考電流I0從壓敏電阻的典型伏安特性曲線（圖121）我們可以明顯地看出：壓敏電阻在其V/I特性曲線的預擊穿區(qū)內(nèi)有一個拐點，這個拐點對應著一個特定的拐點電壓和一個特定的拐點電流；當外加電壓高于這個拐點電壓，壓敏電阻就進入“導通”狀態(tài)（電阻值變?。划斖饧与妷旱陀谶@個拐點電壓，壓敏電阻就進入了“截止”狀態(tài)（電阻值變大）。壓敏電阻的最重要的特性就是電阻值隨外加電壓敏感變化，V/I特性曲線中的拐點電壓最能反應壓敏電阻的這一重要特性，因此我們可以將拐點電壓理解為壓敏電阻的壓敏電壓UN（導通和截止兩種狀態(tài)之間的臨界電壓）。由于壓敏電阻是一種內(nèi)部不完全均勻的陶瓷元件，即使是同一規(guī)格的壓敏電阻，每只元件的拐點電流都不盡相同。為了標準化的需要，國際電工委員會（IEC）人為規(guī)定了兩個測量壓敏電阻拐點的直流參考電流I0－（1mA用于瓷片直徑7mm及其以上的壓敏電阻器，）目前歐美國家已有只規(guī)定1mA為唯一的直流參考電流的發(fā)展趨勢，但日本、中國大陸和中國臺灣仍然普遍保持使用兩種直流參考電流的方法。由于拐點電流已被人為地規(guī)定了下來，因此壓敏電壓UN一般用更直觀的符號－－表示，就更加方便。從上面對壓敏電壓的定義上看，“壓敏電壓”一詞已完全失去了其原有的拐點的含義。這是電子測量學和標準化與壓敏電壓的真實含義之間相互妥協(xié)的結(jié)果。多年的實踐經(jīng)驗表明：IEC定義的壓敏電壓與實際拐點電壓雖然在數(shù)值上不相等，但在大多數(shù)情況下也比較相近，IEC定義的壓敏電壓可視為拐點電壓的近似值。在判定產(chǎn)品的壓敏電壓是否合格時，我們只能使用IEC的規(guī)定的方法，而不能使用測量實際拐點電壓的方法（如晶體管圖示儀測量法）。通用壓敏電阻器的瓷片直徑有5mm、7mm、10mm、14mm和20mm五種，根據(jù)瓷片的截面積可知：IEC規(guī)定的壓敏電壓所對應的電流密度J在10－3A/cm2的數(shù)量級上，因此處于壓敏電阻器V/I特性曲線的擊穿區(qū)。壓敏電壓還有不同的稱謂，如規(guī)定電流下的電壓（IEC的標準名詞）、breakdown voltage（國際學術(shù)界的說法）、擊穿電壓（中國大陸學術(shù)界對breakdown voltage的中譯），崩潰電壓（臺灣學術(shù)界對breakdown voltage的中譯）、閾值電壓（世界物理學界的說法）、直流參考電壓、導通電壓等等。 最大連續(xù)工作電壓MCOV（maximum continuous operating voltage）由于壓敏電阻具有正反向?qū)ΨQ的伏安特性，因此它既可以應用于直流電路，也可以用于交流電路，最大連續(xù)工作電壓MCOV指的是壓敏電阻在應用時能長期承受的最大直流電壓UDC或最大交流電壓有效值URMS。壓敏電阻有一個非常特殊的特性：長期的靜態(tài)功率很小，而瞬間的動態(tài)功率很大，如瓷片直徑20mm、U1mA為200V的壓敏電阻，其長期的靜態(tài)功率僅有1W，而在操作過電壓下的瞬間動態(tài)功率卻能達到50,000W，在雷擊過電壓作用下的瞬間動態(tài)功率則高達9,000,000W以上。由于壓敏電阻的靜態(tài)功率很小，因此施加在壓敏電阻兩端的長期工作電壓絕對要小于其壓敏電壓UN，否則壓敏電阻將因不堪重負而燒毀。如壓敏電阻用于交流電路，確定URMS的原則是：最大連續(xù)交流工作電壓的峰值（URMS）不大于壓敏電壓UN的容差（177。10％）下限值，用公式表達則為： （）如壓敏電阻用于直流電路，確定UDC的原則是：壓敏電阻在UDC作用下的功耗與其在URMS作用下的功耗大體相等或略小與其在URMS作用下的功耗，以此原則得出的經(jīng)驗公式為： 或 （），其正確性已得到世界范圍的公認。仔細研究世界各國不同壓敏電阻廠家的產(chǎn)品樣本可以發(fā)現(xiàn)，有的廠家給出的URMS和UDC是完全按照公式計算出來的，而有的廠家給出的URMS和UDC則與計算值有些出入，筆者認為后者對用戶采取了更負責任的態(tài)度；按照IEC相關(guān)標準的規(guī)定，生產(chǎn)廠家應通過標準的試驗方法來確定其產(chǎn)品能夠?qū)嶋H承受的URMS和UDC，具體規(guī)定的方法是在85℃的環(huán)境溫度下，給壓敏電阻持續(xù)施加URMS和UDC的計算值，經(jīng)過1000小時后，如果試品的UN的變化不超過177。10％，則壓敏電阻的MCOV可按計算值向用戶承諾，如達不到要求，就必須降額并再經(jīng)試驗驗證后向用戶提交真實的URMS和UDC值。 漏電流IL（leakage current）在沒有過電壓的情況下，壓敏電阻處于“截止”狀態(tài)，因此不參與電路的正常工作；這時用戶要求壓敏電阻要安靜地“休息”，所有參數(shù)都不能在規(guī)定年限內(nèi)發(fā)生明顯的變化，更不能出現(xiàn)發(fā)熱、起火現(xiàn)象。但即使在不導通的情況下，壓敏電阻兩端仍然有一定的工作電壓存在（通過上面的介紹，我們已經(jīng)知道：這個長期施加在壓敏電阻上的電壓最大也不會超過規(guī)定的URMS或UDC），同時壓敏電阻在不導通的情況下也不是絕緣體，因此壓敏電阻會在正常工作電壓的驅(qū)動下產(chǎn)生一定量的泄漏電流（簡稱漏電流）。IEC對漏電流IL較為普遍的定義是：環(huán)境溫度25℃時，在壓敏電阻上施加其所屬規(guī)格的最大連續(xù)直流工作電壓UDC，流過壓敏電阻的直流電流。有的廠家根據(jù)用戶的特殊需要對個別規(guī)格的壓敏電阻也規(guī)定了交流漏電流（有效值）的指標和相應的測量方法。由于交流漏電流在使用上很不普遍，而且在測量上難度較大，這里不對它專門加以討論，只需要指出一點：交流漏電流的大小不僅與交流電壓（有效值）的大小有關(guān)，也和它的頻率有關(guān)，頻率越高，漏電流越大。另外，還有根據(jù)具體的壓敏電壓，按比例加壓的測量漏電流的方法，這種方法一般僅用于壓敏材料的研究，這里也不做詳細介紹。雖然大多數(shù)生產(chǎn)廠家都沒有在產(chǎn)品說明書中規(guī)定漏電流的具體指標，但是它并非無關(guān)緊要；經(jīng)驗表明：壓敏電阻出廠時的初始泄漏電流與壓敏電阻的壽命特性和安全性都有較為密切的關(guān)系，因此