压敏电阻的原理、参数和选型方法

压敏电阻器广泛应用于家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。本篇分三部分介绍压敏电阻，原理、参数和选型方法。

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压敏电阻原理

压敏电阻是一种金属氧化物陶瓷半导体电阻器。它以氧化锌（ZnO）为基料，加入多种（一般5～10种）其它添加剂，经压制成坯体，高温烧结，成为具有晶界特性的多晶半导体陶瓷组件。氧化锌压敏电阻器的微观结构如下图1所示。氧化锌陶瓷是由氧化锌晶粒及晶界物质组成的，其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N型半导体，晶界物质中含有大量金属氧化物而形成大量界面态，这样每一微观单元是一个背靠背肖特基势垒，整个陶瓷就是由许多背靠背的肖特基垫垒串并联的组合体。

图1.压敏电阻微观结构

压敏电阻的等效电路

图2.压敏电阻等效电路

压敏电阻的V-I特性

图3.压敏电阻V-I特性

当压敏电阻器遭受瞬时过电压或是浪涌时, 压敏电阻器会从稳定状态（近似开路） 转向限压状态（高导电状态）。

压敏电阻典型V-I特性曲线

1）漏电流区：又称为预击穿区，在此区域内，施加于压敏电阻器两端的电压小于其压敏电压，其导电属于热激发电子电导机理。因此，压敏电阻器相当于一个10MΩ以上的绝缘电阻(Rb远大于Rg)，这时通过压敏电阻器的阻性电流仅为微安级，可看作为开路，该区域是电路正常运行时压敏电阻器所处的状态。

2）工作区：又称为 击穿区：压敏电阻器两端施加一大于压敏电压的过电压时，其导电属于隧道击穿电子电导机理(Rb与Rg相当)，其伏安特性呈优异的非线性电导特性，即：
I=C*V^α
其中I为通过压敏电阻器的电流，C为与配方和工艺有关的常数，V为压敏电阻器两端的电压，α为非线性系数，一般大于30 ，由上式可见，在击穿区，压敏电阻器端电压的微小变化就可引起电流的急剧变化，压敏电阻器正是用这一特性来抑制过电压幅值和吸收或对地释放过电压引起的浪涌能量。

3）上升区：当过电压很大，使得通过压敏电阻器的电流大于约100A/cm2时，压敏电阻器的伏安特性主要由晶粒电阻的伏安特性来决定。此时压敏电阻器的伏安特性呈线性电导特性，即：
I=V/Rg
上升区电流与电压几乎呈线性关系，压敏电阻器在该区域已经劣化，失去了其抑制过电压、吸收或释放浪涌的能量等特性。

根据压敏电阻器的导电机理，其对过电压的响应速度很快，如带引线式和专用电极产品，一般响应时间小于 25纳秒 。因此只要选择和使用得当，压敏电阻器对线路中出现的瞬态过电压有优良的抑制作用，从而达到保护电路中其它元件免遭过电压破坏的目的。

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压敏电阻参数

1.压敏电压UN：即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值。

2.漏电流：也称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大持续直流电压时，流过压敏电阻的电流。

3.电压比：指压敏电阻的电流为1mA时的电压值与压敏电阻的电流为0.1mA时的电压值之比。

4.非线性系数a值，即压比的对数之倒数。

5.限制电压Up：广义的限制电压是指冲击电流流入压敏电阻器时，它两端的峰值。作为压敏电压器考核指标的限制电压Up，则是指波形8/20，峰值为规定值时的冲击电流流入时，压敏电阻两端电压的峰值。压敏电阻的基本功能是抑制瞬态异常电压，所以限制电压是它的最重要的一个使用参数。有的技术标准，如IE61643-1，将规定冲击电流下，器件两端测得的电压峰值称作"残压"，而把一组残压数据中的最大值称作该器件的限制电压。

6. 限压比Rp：限制电压Up与压敏电阻压敏电压之比称为限压比Rp。器件的实际限制电压应低于规定的指标值。Rp越小，越接近于1，表明器件的限压性越好，因此技术指标中规定Up的最大允许值。
7. 最大持续工作电压Uac、Udc：这是指压敏电阻能够长期承受的最大交流电压有效值Uac，或最大直流电压值Udc。确定Uac的原则是：交流电压的峰值不大于压敏电压的公差下限值；确定Udc的原则是：压敏电阻在Uac与Udc下的功耗大体相同，这样Uac= 0.64UN， Udc= 0.83UN，Udc= 1.3Uac。
8. 通流容量：通流容量也称通流量，是指在规定的条件（规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过±10％时的最大脉冲电流值。
   9. 最大能量：是指在规定的条件（规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大浪涌能量。

10.额定功率：指在一定的电流脉冲群作用下，压敏电阻器能承受的最大平均功率，能够承受是指：冲击后的压敏电压与冲击前的相比不大于±10％，且不能发生目视可见的机械损伤。

11. 静态电容量：指压敏电阻器本身固有的电容容量。
12. 电压温度系数：指在规定的温度范围内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变1℃时，压敏电阻器两端电压的相对变化。相应的电流温度系数指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相对变化。
13. 绝缘电阻：指压敏电阻器的引出线(引脚)与电阻体绝缘表面之间的电阻值。
14. 绝缘耐压：指压敏电阻的电极引线与其包封层表面之间所能承受的电压

压敏电阻除了以上的电气特性外，环境特性有：气候，稳态湿热，温度快速变化，上限温度耐久性，湿热环境耐久性，阻燃，耐湿等，机械特性有：振动，冲击，可焊性，端子强度等，另外还有使用温度范围与贮存温度范围等。

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压敏电阻的选项方法

3.1 选用原则

压敏电阻的选用原则：瞻前顾后，符合标准，折中考虑，实验为准。

具体来说，瞻前需考虑到：系统电压正常波动范围的上限值，故障套件下的最高暂态电压及其持续时间；冲击源的冲击电压峰值和源阻抗（或冲击电流），冲击的时间宽度及频率等；

顾后即考虑到：被保护对象的耐压水平；被保护对象允许的压敏电阻的固有电容和阻性漏电流。

瞻前顾后的基本要求为：在预期的冲击源的最大冲击电压下，压敏电阻的限制电压，应低于被保护对象的冲击耐压值；在系统电压正常波动范围的上限值和故障以及最高环境温度条件下，压敏电阻的预期工作寿命时间应大于设计要求值；压敏电阻的通流量，额定能量，功耗应大于冲击源预定的最大冲击电流，冲击能量和平均功耗，在规定条件下，压敏电阻的冲击寿命次数应大于寿命期内冲击源的冲击次数；在系统电压和冲击源发生超过预期值的异常情况时，压敏电阻不会起火，不会发生危及邻近元器件的爆裂，且没有导致电击的危险；压敏电阻的电容量和非线性电流对被保护对象或系统的影响，应在允许的范围内。

符合标准即符合相关的安规测试。

3.2选项举例

1）规格681选型：

可承受最大持续AC电压：420Vrms

压敏电压UN：620-680Vdc

最大限制电压Up:1120Vdc

被保护器件耐压极限应大于压敏限制电压Up

2）普通一次电源压敏选型举例

有三种方法计算压敏电阻电压选型：

a) AC220V输入（暂不考虑能量和耐量）,设电源电压波动系数为0.8～1.3，压敏电阻器两端的最高电压可达220×1.3=286Vac；

b）如果输入电压范围Vin=85-264Vac，依照压敏电阻电压降额要求0.9,可知电压可达264/0.9=293 Vac；

c)压敏UN公式：U=1.5*Uin(值)=1.5(2^1/2 )*220V=467Vdc, 至少选471K压敏电阻；持续交流电压，300Vac, UN范围425-515Vdc;

3.3 设计选项需要注意的问题

1）必须保证在电压波动最大的时候，连续工作电压也不允许超过最大允许值，否则将缩短了压敏电阻器的使用寿命；

2）在电源线与大地使用压敏电阻时，有时由于接触不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用比线与线间使用场合更高压敏电压的压敏电阻；

3）压敏电阻的寿命特性有两项，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间（小时数）。二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击的次数；

4）在应用中，压敏电阻器所吸收的浪涌电流要小于产品的最大通流量，以使产品有较长的工作寿命；我司主要取6KA；

5）压敏电阻介入系统后，除了起到"安全阀"的保护作用外，还会带入一些附加影响，这就是所谓"二次效应"，它不应降低系统的正常工作性能。这时要考虑的因素主要有三项，一是压敏电阻本身的电容量（几十到几万PF），二是在系统电压下的漏电流，三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响。

6） 一般民用设备选型为471K，511K，561K；工业设备使用561K，681K甚至821K等；具体选用何种型号，除了输入电压外，与压敏电阻需要保护的器件极限冲击电压也有关系，压敏电阻限制电压不得超过被保护器件的极限耐压；

3.4 压敏电阻的失效模式

压敏电阻的失效模式有三种方式：

第一种劣化，表现在漏电流增大，压敏电压显著下降，直至为零。

第二种炸裂，若过电压引起的浪涌能量太大，超过了选的压敏电阻器极限的承受能力，则压敏电阻器在抑制过电压时将会发生陶瓷炸裂现象。

第三种穿孔，若过电压峰值特别高，导致压敏电阻器的失效模式绝大部分表现为劣化各穿孔（短路），解决的办法为在使用压敏电阻器时，与之串联一个合适的断路器或者保险丝，避免短路引起事故。

总结来说，压敏电阻在吸收突波时，发生崩溃电压降低时，将使其工作电流过大直至烧毁；发生爆裂（封装层裂开，引线与陶瓷体分离）时，将断路，从而使保护失效；发生瓷片短路时将使其烧毁。当压敏电阻的使用环境或者湿度过高时，将使其劣化（崩溃电压降低），从而使其工作电流过大直至烧毁或短路。当压敏电阻的使用电压超过额定工作电压时，将使其劣化（崩溃电压降低），从而使其工作电流过大直至烧毁或短路。

对于压敏电阻起火燃烧的失效现象，大体上可分为老化失效和暂态过电压破坏两种类型。①老化失效，这是指电阻体的低阻线性化逐步加剧，漏电流恶性增加且集中流入薄弱点，薄弱点材料融化，形成1kΩ左右的短路孔后，电源继续推动一个较大的电流灌入短路点，形成高热而起火。这种事故通常可以通过一个与压敏电阻串联的热熔接点来避免。热熔接点应与电阻体有良好的热耦合，当最大冲击电流流过时不会断开，但当温度超过电阻体上限工作温度时即断开。研究结果表明，若压敏电阻存在着制造缺陷，易发生早期失效，强度不大的电冲击的多次作用，也会加速老化过程，使老化失效提早出现。②暂态过电压破坏，这是指较强的暂态过电压使电阻体穿孔，导致更大的电流而高热起火。整个过程在较短时间内发生，以至电阻体上设置的热熔接点来不及熔断。在三相电源保护中，N-PE线之间的压敏电阻器烧坏起火的事故概率较高，多数是属于这一种情况。相应的对策集中在压敏电阻损坏后不起火。一些压敏电阻的应用技术资料中，推荐与压敏电阻串联电流熔丝（保险丝）进行保护。