SPD中In和Imax关系的理解
2010-12-20 14:05:35
来源：半导体器件应用网
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1 引言
在SPD制造中，往往需要确定运行参数。而额定通流量In和最大通流量Imax则是其中重要参数之一。在标准IEC61643、GB18802、YD1235中，对 In 的规定是:“能够流过SPD的、具有8/20μs波形的放电电流峰值，用于Ⅱ级试验的SPD分级以及Ⅰ级、Ⅱ级试验的SPD的预处理试验.”对Imax 的规定是：“能够流过SPD的、具有8/20μs波形的最大放电电流峰值.”而且：Imax大于In。细读这些标准可以发现：Imax值就是针对限压型及组合型的SPD。而组合型又是限压元件與开关元件的组合。翻遍国内外开关元件的产品样本，仅有极个别廠商标出最大通流量Imax，普遍的均无这个值。所以说Imax 基本是根据限压元件特性而确定。
2 SPD伏安特性的转换区
图1为典型的限压型SPD的特性曲线对数座标图。
其中OAD区域为截止与导通的转换区，DABE区域为
正常导通线性区，EBCF区域为线性与劣化转换区。
在应用中，OAD区域是由静态截止状态（见图2）转换为导通状态，在这区域动态电阻比较大。
图2中AB线条为限压型SPD的伏安特性曲线。OA线条与AB线条的交汇处是导通电压U1mA。而GH线条则为最大持续工作电压Uc的安全线。正弦波表示正常工作电压Un。图中可看出正常的Un是不会超过导通电压U1mA值的40%。而Uc最高不应超过导通电压的65%左右。
图1中DABE区域是导通后的线性区域。在该区域内电流（横座标）增加数kA（这里指8/20μs脉冲电流波），电压（纵座标）仅增加100~200V。此区域动态电阻比较小，是泄流工作的最佳区域。表1则是此段曲线的测量数据（采用武汉维京网络科技有限公司生产的标准模块测试）。
比较电流与电压值，5kA以后，每增加5kA其电压最大增加180V，最小140V。曲线斜率相当平滑，每kA电流时电压仅上升32.5V。这样看来3kA电流时曲线也基本进入了平坦的线性区了(kA/35V)。
3 转折电流
3.1 起始转折电流
从截止区过渡至导通区有一起始电流，称为起始转折电流。此电流的大小视SPD内的MOV基片尺寸和材料特性，由试验而定。按表1用8/20μs电流波进行冲击电流和残压的描点试验，找出进入线性区的电流(进入线性区的标致是kA/V，当点间kA/V变化大致相等时，就进入了线性区)。
对于采用34L基片的SPD，采用3kA或5kA比较合适。一般来讲基片直径越小，其起始转折电流也越小，反之则越大。
3.2 劣化转折电流、确定最大放电电流Imax
同理，由线性区转为劣化区时也有个转折电流，称为劣化转折电流。这个电流就是各类标准中提到的Imax。它的大小与MOV基片的材料特性有关，也与SPD的结构封装形式有关。不菅它多大或多小，但一定表示平坦的线性区结束了，开始进入快速劣化区。它的值是由相关试验确定的。
同材料同工艺生产出来的SPD，按设定的电流值用8/20μs电流波，按标准进行批量冲击，如全部通过，则应加一等级电流再进行试验，直至有少数通不过为止。用另一批SPD，验证加一等级电流的试验，如情况相同，则前一档的电流值就是最大放电电流峰值Imax。确定Imax的意义在于：保证SPD在此范围内应用是安全与可靠的。
4 导通线性段区域
4.1 选取标称放电电流
确定了二个转折电流后，就确定了线性段的区域范围。原则上此区域任意点的电流值均可作为In值。但有关SPD标准中对In 与Imax作了这样描述
GB18802：
“7.5.2 用8/20冲击电流测残压的试验步骤
a）应依次施加峰值约为0.1；0.2；0.5；1.0和2In的8/20冲击电流。
注 ：如果2In试验电流超过电器的Imax，那么最终的试验值可放宽到1.2In。”
这里有了个规定：即2In=Imax。同时注里又作了说明，此比值最低可至Imax/In=1.2。这二句话也说明了在线性区域任意点的电流值均可作为In值。
那么In究竟确定在哪个电流值比较合理呢？作为国标GB18802基本上取的是二个转折电流的中间值。而信息产业部的标准YD1235又是取线性区域的35%至40%。其实在实际应用中没有很大区别，谁又能规定的了浪湧电压的幅度呢。
4.2 In与冲击寿命的关系
额定通流量In值的设定是与应用场合和使用寿命有很大关系。因为In值取小了，使用安全度增加。依据标准，原来可以作为第二级防护的产品只能移至第三级防护用。而In值越大，就越靠近Imax，使用危险度增加。所以标准中给出了最小比值关系，作为最后的安全防线。
In值的设定又与SPD冲击寿命曲线有很大关系。图3二个不同In值时的大电流冲击寿命曲线。曲线1是In=20kA、曲线2是In=15kA。可以看出In值设定的越小，其冲击寿命越长，安全性越好。
比较上述曲线，尽管二个In仅差5kA，但寿命曲线相差相当大，接近一倍。
5 结论
综上所述：
（1）Imax是标致着SPD进入快速劣化区的拐点。
（2）而In则是可靠使用的安全电流。
当SPD使用在比较恶劣的环境中，如移动通讯的高山站、雷达站、多雷区内的设施等场合时，In值应与Imax值距离拉开(因In是可变的，而Imax是不可变的固定值)。不管使用在什么场合Imax作为通流容量的选用的标准是能保证SPD长时间可靠运行。
参考文献
[1] GB18802、《低压配电系统用的电涌保护器（SPD）第1部份：性能要求和试验方法》
[2] YD1235.1《通讯局(站)低压配电系统用电涌保护器技术要求》
在SPD制造中，往往需要确定运行参数。而额定通流量In和最大通流量Imax则是其中重要参数之一。在标准IEC61643、GB18802、YD1235中，对 In 的规定是:“能够流过SPD的、具有8/20μs波形的放电电流峰值，用于Ⅱ级试验的SPD分级以及Ⅰ级、Ⅱ级试验的SPD的预处理试验.”对Imax 的规定是：“能够流过SPD的、具有8/20μs波形的最大放电电流峰值.”而且：Imax大于In。细读这些标准可以发现：Imax值就是针对限压型及组合型的SPD。而组合型又是限压元件與开关元件的组合。翻遍国内外开关元件的产品样本，仅有极个别廠商标出最大通流量Imax，普遍的均无这个值。所以说Imax 基本是根据限压元件特性而确定。
2 SPD伏安特性的转换区
图1为典型的限压型SPD的特性曲线对数座标图。
其中OAD区域为截止与导通的转换区，DABE区域为
正常导通线性区，EBCF区域为线性与劣化转换区。
在应用中，OAD区域是由静态截止状态（见图2）转换为导通状态，在这区域动态电阻比较大。
图2中AB线条为限压型SPD的伏安特性曲线。OA线条与AB线条的交汇处是导通电压U1mA。而GH线条则为最大持续工作电压Uc的安全线。正弦波表示正常工作电压Un。图中可看出正常的Un是不会超过导通电压U1mA值的40%。而Uc最高不应超过导通电压的65%左右。
图1中DABE区域是导通后的线性区域。在该区域内电流（横座标）增加数kA（这里指8/20μs脉冲电流波），电压（纵座标）仅增加100~200V。此区域动态电阻比较小，是泄流工作的最佳区域。表1则是此段曲线的测量数据（采用武汉维京网络科技有限公司生产的标准模块测试）。
比较电流与电压值，5kA以后，每增加5kA其电压最大增加180V，最小140V。曲线斜率相当平滑，每kA电流时电压仅上升32.5V。这样看来3kA电流时曲线也基本进入了平坦的线性区了(kA/35V)。
3 转折电流
3.1 起始转折电流
从截止区过渡至导通区有一起始电流，称为起始转折电流。此电流的大小视SPD内的MOV基片尺寸和材料特性，由试验而定。按表1用8/20μs电流波进行冲击电流和残压的描点试验，找出进入线性区的电流(进入线性区的标致是kA/V，当点间kA/V变化大致相等时，就进入了线性区)。
对于采用34L基片的SPD，采用3kA或5kA比较合适。一般来讲基片直径越小，其起始转折电流也越小，反之则越大。
3.2 劣化转折电流、确定最大放电电流Imax
同理，由线性区转为劣化区时也有个转折电流，称为劣化转折电流。这个电流就是各类标准中提到的Imax。它的大小与MOV基片的材料特性有关，也与SPD的结构封装形式有关。不菅它多大或多小，但一定表示平坦的线性区结束了，开始进入快速劣化区。它的值是由相关试验确定的。
同材料同工艺生产出来的SPD，按设定的电流值用8/20μs电流波，按标准进行批量冲击，如全部通过，则应加一等级电流再进行试验，直至有少数通不过为止。用另一批SPD，验证加一等级电流的试验，如情况相同，则前一档的电流值就是最大放电电流峰值Imax。确定Imax的意义在于：保证SPD在此范围内应用是安全与可靠的。
4 导通线性段区域
4.1 选取标称放电电流
确定了二个转折电流后，就确定了线性段的区域范围。原则上此区域任意点的电流值均可作为In值。但有关SPD标准中对In 与Imax作了这样描述
GB18802：
“7.5.2 用8/20冲击电流测残压的试验步骤
a）应依次施加峰值约为0.1；0.2；0.5；1.0和2In的8/20冲击电流。
注 ：如果2In试验电流超过电器的Imax，那么最终的试验值可放宽到1.2In。”
这里有了个规定：即2In=Imax。同时注里又作了说明，此比值最低可至Imax/In=1.2。这二句话也说明了在线性区域任意点的电流值均可作为In值。
那么In究竟确定在哪个电流值比较合理呢？作为国标GB18802基本上取的是二个转折电流的中间值。而信息产业部的标准YD1235又是取线性区域的35%至40%。其实在实际应用中没有很大区别，谁又能规定的了浪湧电压的幅度呢。
4.2 In与冲击寿命的关系
额定通流量In值的设定是与应用场合和使用寿命有很大关系。因为In值取小了，使用安全度增加。依据标准，原来可以作为第二级防护的产品只能移至第三级防护用。而In值越大，就越靠近Imax，使用危险度增加。所以标准中给出了最小比值关系，作为最后的安全防线。
In值的设定又与SPD冲击寿命曲线有很大关系。图3二个不同In值时的大电流冲击寿命曲线。曲线1是In=20kA、曲线2是In=15kA。可以看出In值设定的越小，其冲击寿命越长，安全性越好。
比较上述曲线，尽管二个In仅差5kA，但寿命曲线相差相当大，接近一倍。
5 结论
综上所述：
（1）Imax是标致着SPD进入快速劣化区的拐点。
（2）而In则是可靠使用的安全电流。
当SPD使用在比较恶劣的环境中，如移动通讯的高山站、雷达站、多雷区内的设施等场合时，In值应与Imax值距离拉开(因In是可变的，而Imax是不可变的固定值)。不管使用在什么场合Imax作为通流容量的选用的标准是能保证SPD长时间可靠运行。
参考文献
[1] GB18802、《低压配电系统用的电涌保护器（SPD）第1部份：性能要求和试验方法》
[2] YD1235.1《通讯局(站)低压配电系统用电涌保护器技术要求》
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