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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