不宜單獨用電流保險絲來應(yīng)對壓敏電阻的失效

表1

3.2 家用電器電路設(shè)計現(xiàn)狀及矛盾

圖9:空氣調(diào)節(jié)器典型電路設(shè)計(截圖)之一

圖10:空氣調(diào)節(jié)器典型電路設(shè)計(截圖)之二

從圖9、圖10 反映了目前家用電器電路設(shè)計的習(xí)慣思路，在MOV 前端置放了電流保險絲fuse,浪涌電流從電源端輸入后先經(jīng)過FUSE,再由流經(jīng)MOV.如此有兩個矛盾存在：

a、MOV 與FUSE 的最大浪涌承受能力的矛盾，如表1 中所示;電路設(shè)計時，如果為了滿足MOV 的浪涌電流承受能力時，就必須提高FUSE 的額定電流值，這樣過大的電流額定值將嚴(yán)重降低對后置電路的過流保護(hù)效果，火災(zāi)隱患倍增;反之，為了保證FUSE 對后置電路的過流保護(hù)效果，就得按需要選擇較小的額定電流值，同時也大幅減低了整個電路的浪涌承受能力，在客戶使用過程中將出現(xiàn)FUSE 很容易斷開。

b、引起MOV 燃燒的擊穿電流與FUSE 的斷開電流的矛盾。

如圖1~圖8 所示， 不管MOV 的浪涌承受能力的大小，MOV 在不同的過電流下就會引起高溫、冒煙甚至燃燒;FUSE 只在MOV 因暫時過電壓作用下、擊穿電流快速增大到2 倍的FUSE額定電流時才能迅速斷開電流;如果是MOV 老化引起的壓敏電壓逐漸下降，MOV 的漏電流緩慢增加而引發(fā)的MOV 燃燒，此時的FUSE 將無法斷開電路。

4 推薦應(yīng)對壓敏電阻失效的合適方案

4.1 壓敏電阻失效表征特點為本體溫度快速上升，采用溫度管理是最有效方式

壓敏電阻實際上是一種具有非線性伏安特性的敏感元件，在正常電壓條件下，這相當(dāng)于一只小電容器，而當(dāng)電路出現(xiàn)過電壓時，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流增加幾個數(shù)量級，從而有效地保護(hù)了電路中的其它元器件不致過壓而損壞，它的伏安特性是對稱的，如圖(11)a 所示。這種元件是利用陶瓷工藝制成的，它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)如圖(11)b 所示。微觀結(jié)構(gòu)中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍的晶界層。其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈N 型半導(dǎo)體，晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài)，這樣每一微觀單元是一個背靠背肖特基勢壘，整個陶瓷就是由許多背靠背肖特基墊壘串并聯(lián)的組合體。

圖(11)a 伏安特性曲線

圖(11)b 內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

圖12 是壓敏電阻器的等效電路。 氧化鋅晶粒的電阻率很低，而晶界層的電阻率卻很高，相接觸的兩個晶粒之間形成了一個相當(dāng)于齊納二極管的勢壘，這就是一壓敏電阻單元，每個單元擊穿電壓大約為3~3.5V,如果將許多的這種單元加以串聯(lián)和并聯(lián)就構(gòu)成了壓敏電阻的基體。串聯(lián)的單元越多，其擊穿電壓就超高，基片的橫截面積越大，其通流容量也越大。壓敏電阻在工作時，每個壓敏電阻單元都在承受浪涌電能量。

圖12 壓敏電阻等效電路

壓敏電阻的缺點是易老化，大多數(shù)情況下P-N結(jié)過載時會造成短路且不可回轉(zhuǎn)至正常狀態(tài)，在電沖擊的反復(fù)多次作用下壓敏電阻內(nèi)的二極管元件被擊穿，電阻體的低阻線性化逐步加劇，壓敏電壓越來越低，漏電流越來越大，隨著MOV 本體溫度的升高，漏電流更大，形成惡性循環(huán)，以至MOV 的溫度升高達(dá)到外包封材料的燃點，這種情況稱之為高阻抗短路(1kΩ 左右)，焦耳熱使得MOV 發(fā)熱增加且集中流入薄弱點，薄弱點材料融化，形成1kΩ 左右的短路孔后，電源繼續(xù)推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。研究結(jié)果表明， 若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發(fā)生早期失效， 強(qiáng)度不大的電沖擊的反復(fù)多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現(xiàn)。這是通過試驗?zāi)軌蜃C明的。

因此可見，壓敏電阻的失效前兆是其溫度的快速提升，溫度的提升速度快于漏電流的提升速度，故采用溫度管理方式來及時判斷壓敏電阻的性能是最為合適了。采用溫度管理保護(hù)壓敏電阻的方式有機(jī)械脫扣方式、溫度保險絲切斷電路方式等，其保護(hù)效果的關(guān)鍵在于熱的采集、傳遞速度，最佳的熱保護(hù)方式能夠讓因失效而處于過度發(fā)熱的壓敏電阻及時地脫離電路，從而避免連環(huán)式火災(zāi)的產(chǎn)生。

4.2 熱保護(hù)型壓敏電阻的優(yōu)點

具有合金型溫度保險絲(thermal cutoff)的壓敏電阻器(MOV)，稱之為熱保護(hù)型壓敏電阻器(thermally protected metal oxide varistor 以下簡稱為TMOV)，是將合金型溫度保險絲與壓敏電阻以最近距離的串聯(lián)方式集合成一體，能夠確保溫度保險絲即時吸取壓敏電阻所發(fā)的熱量，以在壓敏電阻著火前快速切斷電路。此時流經(jīng)壓敏電阻的漏電流還不夠大，不足以切斷電流保險絲。

與壓敏電阻相串聯(lián)的合金型溫度保險絲，具有與壓敏電阻的最大浪涌承受能力Imax 相當(dāng)?shù)耐髁俊?p>以下是TMOV 在不同過電流試驗后失效圖片(參照UL1449 3rd 39.4 條款測試)：

圖13:TMOV10S471 在600V*0.5A 電流試驗后圖片