金屬氧化物壓敏電阻的基本結構、工作原理及主要性能參數(shù)
一、概述
壓敏電阻（MOV，MetalOxideResistor）是目前在電氣、電子產(chǎn)品中使用最廣泛的雷擊電涌抑制器件，其利用金屬氧化物晶粒（主要是ZnO）和晶界層間的隧道效應來實現(xiàn)對瞬態(tài)過電壓的電壓鉗位抑制。壓敏電阻具有納秒級的響應速度，并且具有瞬態(tài)電壓吸收能力與其體積成正比的特點，容易做到很大的吸收容量，因此，已經(jīng)廣泛應用于雷擊浪涌、靜電放電、瞬態(tài)電快脈沖（EFT，Electrical Fast Transient）等過電壓的保護。
二、基本結構和工作原理
壓敏電阻以氧化鋅為主要成分，添加微量的二氧化鉍、三氧化鈷、三氧化錳、三氧化銻等多種金屬氧化物，經(jīng)成型、燒結、表面處理等工藝而制成。圖1所示為其微觀結構示意圖。從圖1（a）可以看出，壓敏電阻主要包含氧化鋅晶粒、晶界層、尖晶石晶粒以及空隙等微結構。氧化鋅晶粒尺寸約為10～100μm，其電阻率很低，為良導體。晶界層由添加劑構成，其將氧化鋅微粒隔開。尖晶石晶粒為氧化鋅與氧化銻的混合物，其尺寸約為幾微米，分布于晶界層。此外，壓敏電阻內還存在一些微孔隙，分布在氧化鋅晶粒和晶界層內。壓敏電阻的特性主要由晶界層特性決定。晶界層在低電場作用下，電阻率大于108Ω·m；而在高電場時，晶界層呈現(xiàn)出隧道效應，即導通現(xiàn)象，將其兩側的氧化鋅晶粒電連接在一起，形成低阻抗，即為“微觀上的壓敏變阻體”。圖1（b）所示為壓敏電阻宏觀導通機制。如外界電場小，晶界層呈現(xiàn)高阻，從而使壓敏電阻對外也呈現(xiàn)高阻；當外界電場足夠大時，微觀上晶界層即導通，形成數(shù)量巨大的微觀上的壓敏變阻體，并且相互串聯(lián)或并聯(lián)，使得整個壓敏電阻對外呈現(xiàn)很低的阻抗。
圖1 氧化鋅壓敏電阻的微觀結構示意圖
從上述壓敏電阻工作機理可容易看出，加大壓敏電阻面積，就可以增加微觀壓敏電阻體并聯(lián)數(shù)目，從而增加通流電流容量；加大壓敏電阻的厚度，就可以增加微觀壓敏電阻體串聯(lián)數(shù)目，從而增加鉗位電壓的水平；壓敏電阻的體積增大，則壓敏電阻所能吸收的瞬態(tài)過電壓的能量也會相應增大。
低壓電氣、電子設備用的壓敏電阻與用于電力系統(tǒng)防雷的氧化鋅避雷器本質上實際是相同的，兩者的基本組成材料是一樣的，主要區(qū)別就是結構上對前述特性取舍的不同。氧化鋅避雷器安裝于高壓電網(wǎng)，并可能會遭受大的雷擊電流，因此采用多個大直徑氧化鋅圓片累疊而成，體積大。壓敏電阻主要應用于低壓設備，主要防感應雷擊電涌的電流，因此主要為單一圓片，體積小。圖2所示為電力避雷器、圓形壓敏電阻以及壓敏電阻的電路符號。圖3所示為引線封裝、表面封裝、螺釘緊固等不同封裝形式的壓敏電阻。
圖2 壓敏電阻結構及電路符號
圖3 不同封裝形式的壓敏電阻
三、主要性能參數(shù)
壓敏電阻的保護特性可用圖4所示的伏安特性曲線進行說明。圖（a）中可以看出，伏安特性曲線位于一、三象限，并且圍繞原點對稱。在第一象限，當外加電壓幅值低于電壓值Vs時，壓敏電阻的電流會遠小于1mA，對外呈現(xiàn)阻斷狀態(tài)；當外加電壓高于Vs后，電流會迅速上升，壓敏電阻的電壓近似維持不變，即進行電壓鉗位。當外界過電壓方向反向時，即在第三象限，壓敏電阻也會發(fā)生同樣過程。為更全面、細致地說明壓敏電阻的特性，圖（b）采用對數(shù)坐標繪出了壓敏電阻在第一象限內的伏安特性，可以看出，曲線實際上分為三段，電流小于1mA的部分，稱為漏電流區(qū)，也即前述關斷區(qū)，電阻可達1000MΩ；當電流超過1mA后，隨電流迅速增加，電壓僅有小幅增加，即鉗位限壓區(qū)，此時，壓敏電阻呈現(xiàn)出很小的動態(tài)電阻，壓敏電阻上的電壓增加量（一般稱為鉗位電壓）等于流過的電流乘以壓敏電阻的動態(tài)阻；當電流繼續(xù)增大，如超過20kA，則壓敏電阻的動態(tài)電阻則又會大大增加，從而端電壓隨著電流而迅速增大，此時，壓敏電阻因吸收大量功率而溫度迅速上升，從而進入危險的過電流區(qū)。正常情況下，應使壓敏電阻工作在前兩個區(qū)段。
圖4 壓敏電阻的伏安特性曲線
根據(jù)以上特性，結合實際應用要求，壓敏電阻的主要技術參數(shù)如下。
（1）壓敏電壓
壓敏電壓為流過規(guī)定電流時壓敏電阻兩端的電壓。通常，對于直徑大于5mm的管芯，測試電流為1mA。直徑等于或小于5mm的管芯，測試電流為100μA。該參數(shù)實際即為壓敏電阻的起始導通電壓值。
（2）殘余電壓
殘余電壓為壓敏電阻在通過規(guī)定波形的電流（通常為8/20μs）時，其兩端出現(xiàn)的峰值電壓。一般來講，峰值電壓也出現(xiàn)在電流的峰值處。
（3）殘壓比
壓敏電阻的殘余電壓與壓敏電壓的比值即殘壓比，一般為1.8～2.2。該參數(shù)可反映出壓敏電阻動態(tài)電阻的變化范圍。
（4）最大持續(xù)工作電壓
壓敏電阻在規(guī)定的溫度范圍內，可以施加到其兩端的最大交流電壓有效值或直流電壓為最大持續(xù)工作電壓。壓敏電阻在該電壓下吸收雷擊電涌的能量所導致的溫升，會正常冷卻，不會發(fā)生熱擊穿。
（5）通流容量
按規(guī)定的時間間隔和次數(shù)，對壓敏電阻通以規(guī)定波形的電流（通常為8/20μs），其壓敏電壓仍在規(guī)定范圍內時所允許通過的最大電流峰值為通流容量。如果雷擊電涌形成的沖擊電流大于通流容量值，則可能損壞壓敏電阻。
（6）能量容限
壓敏電阻在壓敏電壓變化不超過±10%時，所允許流過的規(guī)定波形的一次沖擊電流所吸收的最大能量值為能量容限。很多壓敏電阻生產(chǎn)商采用IEC600060規(guī)定的2ms脈沖電流或10/1000μs脈沖電流進行測試。
（7）寄生電容
由于晶界層很薄，壓敏電阻的極間存在較明顯的寄生電容。與氣體放電管相比，壓敏電阻的寄生電容要嚴重得多。壓敏電阻生產(chǎn)商通常測出1kHz或1MHz頻率時的電阻值，壓敏電阻管芯直徑越大，通流容量也會大，寄生電容也越大。
表1、表2列出了Littelfuse公司生產(chǎn)的幾種用于雷擊浪涌的壓敏電阻的特性參數(shù)，表3則列出了用于ESD的壓敏電阻特性參數(shù)。通過這些參數(shù)，讀者可以深入了解壓敏電阻的具體性能。
表1 小型表面貼裝壓敏電阻電氣參數(shù)
表2 圓形引線壓敏電阻電氣參數(shù)
表3 ESD保護用多層陶瓷壓敏電阻電氣參數(shù)
