脉冲电流/电压试验的波形
2010-06-14 14:28:53
来源：《半导体器件应用》2010年6月刊
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1 引言
冲击电流/电压试验是许多电气/电子系统，设备和元器件的基本试验项目，压敏电阻器也不例外。试验中要用到各种不同波形的脉冲电流/电压，它们的定义和参数范围，在通用试验技术规范，和具体产品技术规范中都已有明确的规定。但是，即使是同一类产品，不同技术规范的具体规定常常是不同的，在实际试验中应予注意；此外，对于新产品开发，都会遇到选用哪种波形的问题，需要了解各种波形的适用范围。本文汇集了使用比较多的试验脉冲，介绍了它们的定义、参数、数学方程和适用性。
2 试验脉冲波形的分类
试验脉冲波形按其物理量可分为电流波，电压波，组合波（复合波，混合波）；按波形的形状，可分为 T1/T2 波（单极性指数波），方波，振铃波（衰减振荡波），固定升速波，以及快速脉冲串等，见图 1。
3 试验脉冲的定义和参数
3.1 T1/T2 脉冲(单极性指数脉冲)[1]
3.1.1 T1/T2 脉冲定义
T1/T2 脉冲也称为单极性指数脉冲，因为这类脉冲的波形可用指数函数来表达。T1/T2 电流脉冲和电压脉冲的定义不完全相同。见图2 和图3。这类脉冲可以用两个数字的组合来表达，第一个数字T1代表视在波前时间，第二个数字 T2代表视在半峰值时间，单位为微秒，并写成 T1 / T2，符号“/”无数学意义。
“视在波前时间 T1”的定义，对于电流波和对于电压波是不一样的：电流波的 T1，是指波前上峰值的 10% 到 90% 之间的时间的 1.25 倍；而电压波的 T1，是指波前上峰值的 30% 到 90% 之间的时间的 1.67 倍。
“视在半峰值时间 T2”的定义，对于电流波和电压波是一样的，都是指视在原点到波尾上峰值的 50% 点之间的时间。
“视在原点 O1”，对于电流波，是指波前上峰值的 10% 这一点前面 0.1xT1 处；对于电压波是指波前上峰值的 30% 这一点前面 0.3xT1 处。
3.1.2 T1/T2 脉冲参数
T1/T2 脉冲的参数主要有：峰值(UP ， IP)，波前时间 T1，半峰值时间 T2 以及反极性幅值(U'， I')，它们的容差（指测量值与规定值之差，而不是测量误差）在不同的技术规范中有不同的规定，几种常用的波形容差规定见表 1。此外还应满足以下要求：
电压脉冲的峰点上允许有频率不小于 0.5MHz 的振荡，或持续时间不超过 1μs 的过冲，在这种情况下，应通过振荡或过冲作一条平均线，以该平均线的最大值作为峰值。邻近峰点附近的振荡或过冲，只要其单幅值不超过峰值的 5%，是可以允许的。
电流脉冲的邻近峰点附近的振荡或过冲，只要其单幅值不超过峰值的 5%，是可以允许的。
① 对 10/700 电压波的短路电流，不同的标准有不同的规定，IEC 61643-21 表 3 的规定是短路电的波形为 5/300，但未规定 5/300 的波形容差。短路电流的峰值按等效输出阻抗 40Ω 计算，其公差在 IEC 61643-21 中没有规定，但IEC61000-4-5 规定为 ±10%。
② IEC61643-1 只规定了对Ⅰ级试验电流 Iimp 的要求，没有明确规定 10/350 电流波的容差，但实际上都把 10/350 作为Ⅰ级试验电流 Iimp 。对Ⅰ级试验的要求是：电流应在 50μs 内到达峰点（注意，50μs 不是 T1），在 10ms 内传输电荷量 Q，并应满足以下关系：
电流峰值：IP±10%
电荷量：Q = 0.5 IP±5% ( Q-库仑， IP - kA)
比能：W/R = 250 IP2 ( J/Ω ， IP - kA)
电流波上允许有过冲或振荡，但在峰值附近振荡的单峰值不应大于峰值的 5%。电流过零后若有反极性电流，不应超过峰值的 20%。
③ 在IEEEC62.41，C62.45 中，这是个补充试验脉冲，它既是电压脉冲，又是电流脉冲，短路电流/开路电压的参数都是：
波前时间：10μs(+0， -5)μs，半峰值时间：1000μs(+1000， -0)μs，峰值的容差为±10%。
鉴于该脉冲主要是向试样注入能量，因此对波前时间和半峰值时间的容差要求不严格。
3.2 方波电流脉冲
方波电流脉冲是一种波形近似为矩形的电流脉冲，见图 4。该脉冲用“视在峰值时间 Td”和“视在总时间 Tt”来定义。视在峰值时间 Td 是电流值大于峰值的 90% 的时间，视在总时间 Tt 是电流值大于峰值的 10% 的时间。
方波电流脉冲的允许误差是：电流峰值 I(+20%， 0%)，视在峰值时间 Td(+20%， 0%)，视在总时间 T t ≤1.5Td。
电流波 I 上允许有过冲或振荡，但其幅值 I"不应大于峰值 I 的 10%。电流过零后若有反极性电流 I'，不应超过峰值 I 的 10%。
3.3 振铃波(衰减振荡波)[2][3]
3.3.1 0.5μs-100kHz振铃波
这种脉冲的开路电压波形见图 5，它应符合以下要求：
上升时间 T1：0.5μs±0.15μs，衰减振荡频率（对应 T2）：100kHz±10kHz
短路电流波第 1 个波前的上升时间 T1≤1μs。
上升时间的定义是指波前上峰值的 10%~90% 两个点之间的时间差（注意：这与 T1 / T2 脉冲不同，它不需要乘以 1.25）。频率按第 1 个峰后面的第 1 个和第 3 个过零点计算。
极性相反的相邻两个振幅的衰减应符合以下要求：第 2 个峰值对第 1 个峰值的比值在 40% ~110% 之间，第 3 个峰值对第 2 个峰值的比值，以及第 4 个峰值对第 3 个峰值的比值在 40%~80% 之间。对于第 4 个峰值以后的幅值不要求，因为第 5 个及其以后的峰值与开始的峰值相比相当小，对绝大多数易损敏感性设备已没有什么影响了。
第 1 个峰点的开路电压/短路电流的名义值 VP / IP ，由有关各方按要求的严酷度来确定，公差为±10%。比值 VP / IP，对于用于 IEEEC62.41 位置类别 B 的 SPD，应为 12Ω±3Ω；对于位置类别 A 的 SPD，应为 30Ω±8Ω。IEC61000—4-12 对输出阻抗公差的规定是 ±20％，且要求冲击脉冲对于交流电压的相位角在（0° to 360°）±10° 范围内调节。
近年来有的低压电器厂商，以随机相位角进行振铃波试验合格的产品，送样到国外检验就不合格，后查明主要原因在于其产品对某一相位角的振铃波冲击特别敏感（发生谐振）。
对 100kHz 振铃波没有规定短路电流的波形，但其峰值则是按位置类别规定的。因为采用这种振铃波的目的不是对被试验设备(EUT)提供高能量，因此没有必要规定精确的电流波形。
波形前沿 0.5μs 这样短的上升时间，加上大的电流峰值，这相当于大的 di/dt 值，从而在被试器件的连接导体中产生可观的电感效应。这时，冲击发生器阻抗与 EUT 阻抗的分压器效应有重要意义。
3.3.2 低频振铃波
IEEE C62.45 称作“电容器转接振铃波”，但未给出明确的波形参数。
有的 SPD 使用方，鉴于低压电源系统转接时系统中所产生的衰减振荡，要求对 SPD 进行低频振铃脉冲试验，其参数是：
在 250V，50Hz 系统电压上叠加以下 3 种低频振铃波：250Vrms/400Hz，250Vrms/800Hz，和 500Vrms/5kHz。振铃波脉冲开路电压第 1 个半周期的峰值，应当相应于规定的电压有效值，第5个半周期的峰值应在第 1 个半周期的峰值的 15%~25% 之间，振铃波发生器的源阻抗为 2Ω±20%。
3.4 固定升速电压波
固定升速电压脉冲用电压升速 dV/dt 来定义。常用的固定升速电压波有特慢速波 100V/s，慢速波 100V/μs 和快速波 1000V/μs。发生器实际输出的电压波应在图 6 规定的范围内。固定升速电压波的短路电流在 IEC61643-21 中规定，波形为 10/1000，电流峰值分为 10A，25A 和 100A 三个等级。
3.5 陡脉冲串(快速脉冲串：EFT/EFB Electrical Fast Transient/Burst)
陡脉冲串中的单个脉冲（见图7）：
上升时间（波前上峰值的 10%~90% 两点之间的时间差）： 5ns±1.5ns 持续时间（波前和波尾上峰值的 50% 的两个点之间的时间差）：50ns±15ns 脉冲串中脉冲的重复速率：
峰值≤2kV时：5kHz±1kHz 峰值＞2kV时：2.5kHz±0.5kHz
每个脉冲串的持续时间：15ms±3ms
开路电压峰值为规定值的 ±10%，短路电流不作规定，因为它取决于试样在 EFT 下的阻抗。波形是指发生器负载为 50Ω 时的波形。发生器在(1~100)MHz的源阻抗为 50Ω。
4 波形方程 [2]
波形方程是对冲击电流/电压试验进行分析和计算机仿真的有力工具，表 2 列出了几种常用脉冲的波形方程。
5 试验脉冲的适用性
各种不同的产品在冲击试验中采用哪种试验波形，在产品技术规范中都已有明确的规定，试验波形的选择主要考虑以下因数：
1) 被试物(DUT)在脉冲作用下的阻抗特性及数值大小。
DUT 在脉冲作用下的阻抗特性可大体区分为三类：开关特性，嵌位特性和线性特性。
DUT 在脉冲作用下的阻抗很高，采用电压脉冲，反之则用电流脉冲。开关特性元件在脉冲作用期间，在击穿前阻抗很高，击穿后阻抗很低，因此采用组合波。
2) DUT 设计安装位置的电磁环境，在这里经常出现的电磁脉冲的参数。一般来说，所选用的试验脉冲波形应尽量相似于安装现场的统计平均波形。
3) 试验目的，即要检测 DUT 的哪项特性，是测试限制电压，还是检测试样对脉冲电流/脉冲能量耐受能力，还是检测试样的冲击抗扰性。
4) 试验的性质，例如设计试验是为了寻找设计缺陷，鉴定试验和生产检验是为了判定合格与否，诊断分析试验是为了查清试验中会发生什么现象，以及改进措施是否有效等，这些试验对波形的要求往往是不同的。
表 3 列出了常用试验波形的特点，适用范围和相关技术规范。
参考文献
[1] IEC1180-1 High-voltage test techniques for low-voltage equipment Part 1: Definitions， test and procedure requirements
[2] IEEE Std C62.45 IEEE Recommended Practice on Surge Testing for Equipment Connected to Low-Voltage (1000V and Less) AC Power Circuits
[3] IEC 61000-4-12 Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4: Testing and measurement techniques-Section 12: Oscillatory waves immunity test Basic EMC Publication
作者简介
段强 ：男，1962，陕西咸阳人。现从事压敏电阻器制造和电涌保护器测试技术的研究。
朱士中：男，1956，江苏常州人。现从事压敏电阻器测试仪器和设备的研制。
冲击电流/电压试验是许多电气/电子系统，设备和元器件的基本试验项目，压敏电阻器也不例外。试验中要用到各种不同波形的脉冲电流/电压，它们的定义和参数范围，在通用试验技术规范，和具体产品技术规范中都已有明确的规定。但是，即使是同一类产品，不同技术规范的具体规定常常是不同的，在实际试验中应予注意；此外，对于新产品开发，都会遇到选用哪种波形的问题，需要了解各种波形的适用范围。本文汇集了使用比较多的试验脉冲，介绍了它们的定义、参数、数学方程和适用性。
2 试验脉冲波形的分类
试验脉冲波形按其物理量可分为电流波，电压波，组合波（复合波，混合波）；按波形的形状，可分为 T1/T2 波（单极性指数波），方波，振铃波（衰减振荡波），固定升速波，以及快速脉冲串等，见图 1。
3 试验脉冲的定义和参数
3.1 T1/T2 脉冲(单极性指数脉冲)[1]
3.1.1 T1/T2 脉冲定义
T1/T2 脉冲也称为单极性指数脉冲，因为这类脉冲的波形可用指数函数来表达。T1/T2 电流脉冲和电压脉冲的定义不完全相同。见图2 和图3。这类脉冲可以用两个数字的组合来表达，第一个数字T1代表视在波前时间，第二个数字 T2代表视在半峰值时间，单位为微秒，并写成 T1 / T2，符号“/”无数学意义。
“视在波前时间 T1”的定义，对于电流波和对于电压波是不一样的：电流波的 T1，是指波前上峰值的 10% 到 90% 之间的时间的 1.25 倍；而电压波的 T1，是指波前上峰值的 30% 到 90% 之间的时间的 1.67 倍。
“视在半峰值时间 T2”的定义，对于电流波和电压波是一样的，都是指视在原点到波尾上峰值的 50% 点之间的时间。
“视在原点 O1”，对于电流波，是指波前上峰值的 10% 这一点前面 0.1xT1 处；对于电压波是指波前上峰值的 30% 这一点前面 0.3xT1 处。
3.1.2 T1/T2 脉冲参数
T1/T2 脉冲的参数主要有：峰值(UP ， IP)，波前时间 T1，半峰值时间 T2 以及反极性幅值(U'， I')，它们的容差（指测量值与规定值之差，而不是测量误差）在不同的技术规范中有不同的规定，几种常用的波形容差规定见表 1。此外还应满足以下要求：
电压脉冲的峰点上允许有频率不小于 0.5MHz 的振荡，或持续时间不超过 1μs 的过冲，在这种情况下，应通过振荡或过冲作一条平均线，以该平均线的最大值作为峰值。邻近峰点附近的振荡或过冲，只要其单幅值不超过峰值的 5%，是可以允许的。
电流脉冲的邻近峰点附近的振荡或过冲，只要其单幅值不超过峰值的 5%，是可以允许的。
① 对 10/700 电压波的短路电流，不同的标准有不同的规定，IEC 61643-21 表 3 的规定是短路电的波形为 5/300，但未规定 5/300 的波形容差。短路电流的峰值按等效输出阻抗 40Ω 计算，其公差在 IEC 61643-21 中没有规定，但IEC61000-4-5 规定为 ±10%。
② IEC61643-1 只规定了对Ⅰ级试验电流 Iimp 的要求，没有明确规定 10/350 电流波的容差，但实际上都把 10/350 作为Ⅰ级试验电流 Iimp 。对Ⅰ级试验的要求是：电流应在 50μs 内到达峰点（注意，50μs 不是 T1），在 10ms 内传输电荷量 Q，并应满足以下关系：
电流峰值：IP±10%
电荷量：Q = 0.5 IP±5% ( Q-库仑， IP - kA)
比能：W/R = 250 IP2 ( J/Ω ， IP - kA)
电流波上允许有过冲或振荡，但在峰值附近振荡的单峰值不应大于峰值的 5%。电流过零后若有反极性电流，不应超过峰值的 20%。
③ 在IEEEC62.41，C62.45 中，这是个补充试验脉冲，它既是电压脉冲，又是电流脉冲，短路电流/开路电压的参数都是：
波前时间：10μs(+0， -5)μs，半峰值时间：1000μs(+1000， -0)μs，峰值的容差为±10%。
鉴于该脉冲主要是向试样注入能量，因此对波前时间和半峰值时间的容差要求不严格。
3.2 方波电流脉冲
方波电流脉冲是一种波形近似为矩形的电流脉冲，见图 4。该脉冲用“视在峰值时间 Td”和“视在总时间 Tt”来定义。视在峰值时间 Td 是电流值大于峰值的 90% 的时间，视在总时间 Tt 是电流值大于峰值的 10% 的时间。
方波电流脉冲的允许误差是：电流峰值 I(+20%， 0%)，视在峰值时间 Td(+20%， 0%)，视在总时间 T t ≤1.5Td。
电流波 I 上允许有过冲或振荡，但其幅值 I"不应大于峰值 I 的 10%。电流过零后若有反极性电流 I'，不应超过峰值 I 的 10%。
3.3 振铃波(衰减振荡波)[2][3]
3.3.1 0.5μs-100kHz振铃波
这种脉冲的开路电压波形见图 5，它应符合以下要求：
上升时间 T1：0.5μs±0.15μs，衰减振荡频率（对应 T2）：100kHz±10kHz
短路电流波第 1 个波前的上升时间 T1≤1μs。
上升时间的定义是指波前上峰值的 10%~90% 两个点之间的时间差（注意：这与 T1 / T2 脉冲不同，它不需要乘以 1.25）。频率按第 1 个峰后面的第 1 个和第 3 个过零点计算。
极性相反的相邻两个振幅的衰减应符合以下要求：第 2 个峰值对第 1 个峰值的比值在 40% ~110% 之间，第 3 个峰值对第 2 个峰值的比值，以及第 4 个峰值对第 3 个峰值的比值在 40%~80% 之间。对于第 4 个峰值以后的幅值不要求，因为第 5 个及其以后的峰值与开始的峰值相比相当小，对绝大多数易损敏感性设备已没有什么影响了。
第 1 个峰点的开路电压/短路电流的名义值 VP / IP ，由有关各方按要求的严酷度来确定，公差为±10%。比值 VP / IP，对于用于 IEEEC62.41 位置类别 B 的 SPD，应为 12Ω±3Ω；对于位置类别 A 的 SPD，应为 30Ω±8Ω。IEC61000—4-12 对输出阻抗公差的规定是 ±20％，且要求冲击脉冲对于交流电压的相位角在（0° to 360°）±10° 范围内调节。
近年来有的低压电器厂商，以随机相位角进行振铃波试验合格的产品，送样到国外检验就不合格，后查明主要原因在于其产品对某一相位角的振铃波冲击特别敏感（发生谐振）。
对 100kHz 振铃波没有规定短路电流的波形，但其峰值则是按位置类别规定的。因为采用这种振铃波的目的不是对被试验设备(EUT)提供高能量，因此没有必要规定精确的电流波形。
波形前沿 0.5μs 这样短的上升时间，加上大的电流峰值，这相当于大的 di/dt 值，从而在被试器件的连接导体中产生可观的电感效应。这时，冲击发生器阻抗与 EUT 阻抗的分压器效应有重要意义。
3.3.2 低频振铃波
IEEE C62.45 称作“电容器转接振铃波”，但未给出明确的波形参数。
有的 SPD 使用方，鉴于低压电源系统转接时系统中所产生的衰减振荡，要求对 SPD 进行低频振铃脉冲试验，其参数是：
在 250V，50Hz 系统电压上叠加以下 3 种低频振铃波：250Vrms/400Hz，250Vrms/800Hz，和 500Vrms/5kHz。振铃波脉冲开路电压第 1 个半周期的峰值，应当相应于规定的电压有效值，第5个半周期的峰值应在第 1 个半周期的峰值的 15%~25% 之间，振铃波发生器的源阻抗为 2Ω±20%。
3.4 固定升速电压波
固定升速电压脉冲用电压升速 dV/dt 来定义。常用的固定升速电压波有特慢速波 100V/s，慢速波 100V/μs 和快速波 1000V/μs。发生器实际输出的电压波应在图 6 规定的范围内。固定升速电压波的短路电流在 IEC61643-21 中规定，波形为 10/1000，电流峰值分为 10A，25A 和 100A 三个等级。
3.5 陡脉冲串(快速脉冲串：EFT/EFB Electrical Fast Transient/Burst)
陡脉冲串中的单个脉冲（见图7）：
上升时间（波前上峰值的 10%~90% 两点之间的时间差）： 5ns±1.5ns 持续时间（波前和波尾上峰值的 50% 的两个点之间的时间差）：50ns±15ns 脉冲串中脉冲的重复速率：
峰值≤2kV时：5kHz±1kHz 峰值＞2kV时：2.5kHz±0.5kHz
每个脉冲串的持续时间：15ms±3ms
开路电压峰值为规定值的 ±10%，短路电流不作规定，因为它取决于试样在 EFT 下的阻抗。波形是指发生器负载为 50Ω 时的波形。发生器在(1~100)MHz的源阻抗为 50Ω。
4 波形方程 [2]
波形方程是对冲击电流/电压试验进行分析和计算机仿真的有力工具，表 2 列出了几种常用脉冲的波形方程。
5 试验脉冲的适用性
各种不同的产品在冲击试验中采用哪种试验波形，在产品技术规范中都已有明确的规定，试验波形的选择主要考虑以下因数：
1) 被试物(DUT)在脉冲作用下的阻抗特性及数值大小。
DUT 在脉冲作用下的阻抗特性可大体区分为三类：开关特性，嵌位特性和线性特性。
DUT 在脉冲作用下的阻抗很高，采用电压脉冲，反之则用电流脉冲。开关特性元件在脉冲作用期间，在击穿前阻抗很高，击穿后阻抗很低，因此采用组合波。
2) DUT 设计安装位置的电磁环境，在这里经常出现的电磁脉冲的参数。一般来说，所选用的试验脉冲波形应尽量相似于安装现场的统计平均波形。
3) 试验目的，即要检测 DUT 的哪项特性，是测试限制电压，还是检测试样对脉冲电流/脉冲能量耐受能力，还是检测试样的冲击抗扰性。
4) 试验的性质，例如设计试验是为了寻找设计缺陷，鉴定试验和生产检验是为了判定合格与否，诊断分析试验是为了查清试验中会发生什么现象，以及改进措施是否有效等，这些试验对波形的要求往往是不同的。
表 3 列出了常用试验波形的特点，适用范围和相关技术规范。
参考文献
[1] IEC1180-1 High-voltage test techniques for low-voltage equipment Part 1: Definitions， test and procedure requirements
[2] IEEE Std C62.45 IEEE Recommended Practice on Surge Testing for Equipment Connected to Low-Voltage (1000V and Less) AC Power Circuits
[3] IEC 61000-4-12 Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4: Testing and measurement techniques-Section 12: Oscillatory waves immunity test Basic EMC Publication
作者简介
段强 ：男，1962，陕西咸阳人。现从事压敏电阻器制造和电涌保护器测试技术的研究。
朱士中：男，1956，江苏常州人。现从事压敏电阻器测试仪器和设备的研制。
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