1  前言
 氧化锌压敏电阻器是一种电阻值对外加电压敏感的半导体敏感元件，其主要功能是辨别和限制瞬态过电压，反复使用不损坏。它的电流(I)—电压(V)特性是非线性的，与稳压二极管相似，但与二极管不同，压敏电阻器能在两个极性上相等的限制过电压，于是呈现的I-V特性很象的两个背对背的二极管。压敏电阻器能用于交流和直流场合，电压范围从几伏到几千伏，电流范围从毫安到几千安。压敏电阻器还附加有高能量吸收能力的特性，从几焦耳到几千焦耳。它的通用性使得压敏电阻器在半导体工业和电力工业得到广泛的应用。

 氧化锌压敏电阻器是在氧化锌(ZnO)粉料中加入微量的氧化铋(Bi2O3)、三氧化二锑(Sb2O3)、三氧化二钴(Co2O3)、二氧化锰(MnO2)和三氧化二铬(Cr2O3)等添加物，经过混料、成型，在高温下烧结而成的烧结体。它是由n型半导体的ZnO晶粒和含杂质偏析的晶界所构成的多晶结构，其非线性起因于陶瓷的晶界特性。
2  氧化锌压敏电阻器的基本特性
2.1氧化锌压敏电阻器的电气特性
氧化锌压敏电阻器的I-V特性曲线如图1所示，曲线分成三个区域：
(1)小电流区
外施电压小于压敏电压。这范围内电流小于10-4A/cm2，I-V特性接近于线性，与温度有密切的关系，定义为预击穿区。电阻率很高，ρ=(1012~1013)Ω·cm，电阻温度系数为负值。
(2)中电流区
外施电压大于压敏电压。在中电流区，对于电压的一个小增量，压敏电阻器传导一个很大的电流，这一区域的I-V特性非线性很高，α>50，电阻温度系数为一个很小的负值，约为-5×10-4/℃。
(3)大电流区
也称为回升区。在这个区域大于103A/cm2，随着电流的增加，非线性系数α降低，并逐步地接近于1。I-V特性又呈线性。电阻率ρ=（1~10）Ω·cm。
氧化锌压敏电阻器的I-V特性，在上述三个区域内，显示出不同的特点，表明了氧化锌压敏电阻器在这三个区域内，对应着不同的导电机理。在小、中电流区域，导电机理主要由压敏电阻器的晶界特性来决定，而在大电流区则由ZnO晶粒特性来决定。小电流线性区决定了施加稳态外电压的功率损耗，因而就决定了工作电压。中电流非线性区决定了当施加一瞬变过电压时的限制电压。大电流区是大电流浪涌吸收的极限依据。
2.2非线性系数
在I-V特性中电流区，曲线呈现非常高的非线性，可以用以下式表示：
             (1)
式中，I—流过压敏电阻器的电流；
 V—压敏电阻器两端的电压；
 α—非线性系数；
 C—材料常数。
α值是描述非线性强弱的重要参数，其值总大于1，α值越大，压敏性越优。α值可以通过测试流过压敏电阻器的电流I1和I2及其所对应的电压V1和V2，由下式求出：
 (2)
当I2/I1=10时，上式可简化为：
               (3)
引用α值的电流范围是在0.1～1mA，1~10mA。不同的压敏电阻器α达到最大值时的电压不同。一般来讲，在一定的几何形状下，电流在1mA附近时，氧化锌压敏电阻器的α值可达到最大值。往往取1mA电流时所对应的电压作为I随V陡峭上升的电压大小的标志，把此电压(V1mA)标为压敏电压。
2.3材料常数C
由式(1)知，令α=1，常数C正好是欧姆电阻值，C值大的压敏电阻器，在一定的电流下所对应的电压值也高，所以有时称C值为非线性电阻值。根据这个含义，对一定材料来说，C值应与压敏电阻器的几何尺寸有关。为了比较不同材料的C值，把压敏电阻器上流过1mA/cm2电流时，在电流通路上每毫米长度上的电压降定义为该压敏电阻器材料的C值。它反映了材料的特性和材料压敏电压的高低，故也把C称为材料常数。
2.4漏电流
氧化锌压敏电阻器的线路、设备及仪器正常工作时，所流过压敏电阻器的电流称为漏电流。它是描述预击穿击I-V特性的参数。对于氧化锌压敏电阻器来讲，预击穿区在1mA以下的I-V特性曲线部分，漏电流的大小与电压、温度都有关系，电压、温度升高都会使漏电流加大，使用压敏电阻器时必须考虑这两个因素对漏电流的影响。
了解氧化锌压敏电阻器的漏电流特性是重要的，首先在稳态工作电压下应用时，决定着产生的功率损耗；决定着稳态工作电压的大小，不产生过量的因漏电流流过引起的热量，压敏电阻器是可接受的。
要使压敏电阻器可靠地工作，漏电流必须尽可能地小。这一方面与材料的组份和制造工艺有关；另一方面也与正确地选用压敏电压有关。
根据不同使用情况和产品的性能，在保证可靠工作的前提下，可以适当地规定漏电流的上限，一般说来，漏电流可以控制在50μA到100μA之间。漏电流高于100μA的产品，工作可靠性较差。此外，还必须考虑到V1mA的温度关系，当温度上升时，V1mA下降。
2.5电压温度系数
压敏电压随着温度上升而下降，在规定的温度范围内，温度每变化1℃时，零功率条件下压敏电压的相对变化率称为压敏电阻器的温度系数。可用下式表示：
   (4)
式中，V1—室温下的压敏电压；
   V2—极限环境温度下的压敏电压；
  t1—室温；
  t2—极限环境温度。
一般αV可以控制在(-10-3～-10-4)/℃。
2.6通流容量
压敏电阻器经过长期交、直流负荷或浪涌电流负荷的冲击后，I-V特性变坏，使预击穿区的I-V特性曲线向大电流方向移动，因而漏电流上升，压敏电压下降，把这科现象标为压敏电阻器的蜕变。蜕变发生在预击穿区，对击穿电压以上的特性无影响。
I-V特性的蜕变，对许多应用来讲影响很大，因此必须对经浪涌电流冲击后压敏电压V1mA的下降有所限制，并且以V1mA下降的多少来衡量压敏电阻器耐浪涌冲击的能力。把满足V1mA下降要求的压敏电压器所能承受的最大冲击电流（按规定波形）叫做压敏电阻器的通流容量。压敏电阻器的通流容量与材料的化学成分、制造工艺及几何尺寸等因素有关。例如在避雷器用压敏电阻器的试验中，根据实际雷电值电流取5kA或10kA。
2.7能量耐量
指压敏电阻器经受规定波形的浪涌电流冲击、并规定冲击次数时所能吸收的最大能量，可用下式进行计算：
       (5)
式中，I—冲击电流的峰值；
    V—流过冲击电流I时压敏电阻器上的残压；
    t—冲击电流的持续时间；
   K—冲击电流波形系数。
常见冲击电流的波形系数：矩形波K=1；雷电流8/20μS  K=0.84；电感放电K=1.44。
能量吸收能力可以从三个方面来衡量：
(1)用破坏能量衡量过电压能量的吸收能力。
破坏能量是指压敏电阻器吸收过电压能量而不发生破坏的最大容许能量。单位为J或J/cm3。压敏电阻器吸收的过电压能量与冲击电流的幅值、持续时间和次数有关。
(2)用特性变化的程度衡量过电压能量的吸收能力。
过电压能量的吸收能力，用压敏电阻器在规定的特性变化范围内通过规定的波形和次数的冲击电流的最大幅值来衡量，单位为A或A/cm2，也可以换算为相应的能量，单位为J和J/cm3。对于电子线路用氧化锌压敏电阻器，规定V1mA变化率不大于10%；对于避雷器用氧化锌压敏电阻器，8/20μS冲击电流残压（10kA或5kA）变化率不大于5%。
(3)用热崩溃条件衡量过电压能量的吸收能力。
氧化锌压敏电阻器的发热量大于散热量时，功率损耗随着温度上升而增加，并引起温度进一步升高，直至最后破坏的现象，称为热崩溃。
过电压作用下，避免压敏电阻器发生热崩溃的条件是：压敏电阻器吸收过电压能量后引起的温升，必须小于或等于压敏电阻器所允许的最大温升。相应地，压敏电阻器最大的吸收过电压能量W可用下式计算。
               (6)
式中，V—压敏电阻器的体积；
  c—压敏电阻器的比热容（2.6~3.1）J/cm3·℃
   △T—吸收过电压后，电阻片的最大容许温升℃
如果压敏电阻器吸收过电压能量后，温度低于200℃，压敏电阻器的温度和功率损耗会逐渐地降低，最后恢复到原来的状态。
3  氧化锌压敏电阻器的选用
3.1了解保护对象和电涌情况
选用氧化锌压敏电阻器之前，应充分了解：
(1)电涌大小：包括电涌源。估算电涌电压、电流极大值、波形及复现率。
(2)电涌传播线路：是线间电涌还是线地间电涌。
(3)被保护对象能承受的最大电压。
(4)产品性能：主要是压敏电压和电流通流容量大小。
3.2具体参数选用
(1)压敏电压（V1mA）
选取压敏电压的主要依据是工作电压，压敏电压与工作电压的关系可以经验地定为：
 (7)
或   (8)
式中，VDC—直流工作电压；
   VAC—交流工作电压(有效值)；
    V1mA——压敏电压；
    a—电压制电压脉动系数，可取a=120%；
   b—压敏电阻器长期存放后，压敏电压V1mA允许下降的极限值，可取b=10%。
将以上各系数代入式(7)、(8)得:
 (9)
也可用

 (10)
选择。
该比值称为压敏电阻器的荷电率。如果电源电压较低，而被保护物的耐压水平很高，只要限制电压低于耐压水平下，压敏电压可选得高一些，即荷电率稍低一些，这种既然不影响保护，又可延长压敏电阻器的寿命，提高了设备运行的可靠性。
(2)残压
所谓残压是指压敏电阻器流过冲击电流时两端出现的冲击电压。残压值由被保护装置的耐压决定，应使压敏电阻器流过最大电涌电流时，残压低于装置耐压。
(3)通流容量
通流容量根据电涌大小决定，应使最大电涌电流峰值低于或等于压敏电阻器的通流容量，同时考虑电涌复现率。复现率高，通流容量的富余应大。
一般操作过电压保护可选择3~5 kA。防雷保护选择5~20kA。熄灭火花选择3 kA以下。
4   氧化锌压敏电阻器的应用
氧化锌压敏电阻器在操作过电压保护中应用极其广泛，下面举几例说明。
(1)晶体管的过电压保护
在晶体管电路中，若晶体管与电感性电路相接，在关、开时感性电路产生的过电压可能会烧坏晶体管（或缩短其寿命），故在某些变压器输出回路中，为了保护晶体管就必须采取措施抑制这种过电压。在晶体管集电极和发射极之间或者在变压器初级侧接以氧化锌压敏电阻器能有效地抑制这种过电压，如图2的a和b。当线路常态工作时，压敏电阻器处在高阻状态，相当于一个小电容的作用；当线路产生的过电压高于压敏电压时，氧化锌压敏电阻器很快导通，使晶体管免遭损坏。一般选择压敏电压在正常工作电压峰值与晶体管反峰压值之间。
(2)触点保护
继电器在开断的瞬间，由于感生过电压很高，触点间空气电离，产生跳火现象，使继电器寿命缩短。当在触点间或线圈上并接氧化锌压敏电阻器时，由于压敏元件的非线性分流作用，可以在触点断开的瞬间，防止跳火，从而保护了触点，延长了使用寿命，具体接线见图3的a和b。
(3)在整流设备中的应用
在整流设备中，接、合闸时可以产生相当高的过电压。例如，在空载接闸时，由于初级突然切断，电路聚积的电磁能来不及耗散，以致在杂散电容、电感组成的振荡回路中产生比正常电压高7~8倍的过电压，这对整流元件来说是个严重的威胁。因此，必须来取防护措施以保护整流元件可靠地工作。这对高压整流设备来说是更为重要的。
在整流设备的交、直流侧接入氧化锌压敏电阻后，可抑制过电压、且体积小、响应快、功耗小，其保护效果很好。具体接线可参考图4。
5   结束语
压敏电阻器是一种过电压保护半导体敏感元件，具有抑制电压能力强、响应速度快、漏电流小等优点，而且其体积小、可靠性高、价格低廉，因此被广泛用于各种电子电路中作为保护敏感元件。

参考文献
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