金屬氧化物壓敏電阻的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及主要性能參數(shù)

來源：JLE電路保護(hù)與器件更新時(shí)間：2024-07-13 閱讀：

一、概述

壓敏電阻（MOV，MetalOxideResistor）是目前在電氣、電子產(chǎn)品中使用最廣泛的雷擊電涌抑制器件，其利用金屬氧化物晶粒（主要是ZnO）和晶界層間的隧道效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)過電壓的電壓鉗位抑制。壓敏電阻具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度，并且具有瞬態(tài)電壓吸收能力與其體積成正比的特點(diǎn)，容易做到很大的吸收容量，因此，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷擊浪涌、靜電放電、瞬態(tài)電快脈沖（EFT，Electrical Fast Transient）等過電壓的保護(hù)。

二、基本結(jié)構(gòu)和工作原理

壓敏電阻以氧化鋅為主要成分，添加微量的二氧化鉍、三氧化鈷、三氧化錳、三氧化銻等多種金屬氧化物，經(jīng)成型、燒結(jié)、表面處理等工藝而制成。圖1所示為其微觀結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1（a）可以看出，壓敏電阻主要包含氧化鋅晶粒、晶界層、尖晶石晶粒以及空隙等微結(jié)構(gòu)。氧化鋅晶粒尺寸約為10～100μm，其電阻率很低，為良導(dǎo)體。晶界層由添加劑構(gòu)成，其將氧化鋅微粒隔開。尖晶石晶粒為氧化鋅與氧化銻的混合物，其尺寸約為幾微米，分布于晶界層。此外，壓敏電阻內(nèi)還存在一些微孔隙，分布在氧化鋅晶粒和晶界層內(nèi)。壓敏電阻的特性主要由晶界層特性決定。晶界層在低電場作用下，電阻率大于108Ω·m；而在高電場時(shí)，晶界層呈現(xiàn)出隧道效應(yīng)，即導(dǎo)通現(xiàn)象，將其兩側(cè)的氧化鋅晶粒電連接在一起，形成低阻抗，即為“微觀上的壓敏變阻體”。圖1（b）所示為壓敏電阻宏觀導(dǎo)通機(jī)制。如外界電場小，晶界層呈現(xiàn)高阻，從而使壓敏電阻對外也呈現(xiàn)高阻；當(dāng)外界電場足夠大時(shí)，微觀上晶界層即導(dǎo)通，形成數(shù)量巨大的微觀上的壓敏變阻體，并且相互串聯(lián)或并聯(lián)，使得整個(gè)壓敏電阻對外呈現(xiàn)很低的阻抗。

圖1 氧化鋅壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)示意圖

從上述壓敏電阻工作機(jī)理可容易看出，加大壓敏電阻面積，就可以增加微觀壓敏電阻體并聯(lián)數(shù)目，從而增加通流電流容量；加大壓敏電阻的厚度，就可以增加微觀壓敏電阻體串聯(lián)數(shù)目，從而增加鉗位電壓的水平；壓敏電阻的體積增大，則壓敏電阻所能吸收的瞬態(tài)過電壓的能量也會(huì)相應(yīng)增大。

低壓電氣、電子設(shè)備用的壓敏電阻與用于電力系統(tǒng)防雷的氧化鋅避雷器本質(zhì)上實(shí)際是相同的，兩者的基本組成材料是一樣的，主要區(qū)別就是結(jié)構(gòu)上對前述特性取舍的不同。氧化鋅避雷器安裝于高壓電網(wǎng)，并可能會(huì)遭受大的雷擊電流，因此采用多個(gè)大直徑氧化鋅圓片累疊而成，體積大。壓敏電阻主要應(yīng)用于低壓設(shè)備，主要防感應(yīng)雷擊電涌的電流，因此主要為單一圓片，體積小。圖2所示為電力避雷器、圓形壓敏電阻以及壓敏電阻的電路符號(hào)。圖3所示為引線封裝、表面封裝、螺釘緊固等不同封裝形式的壓敏電阻。

圖2 壓敏電阻結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)

圖3 不同封裝形式的壓敏電阻

三、主要性能參數(shù)

壓敏電阻的保護(hù)特性可用圖4所示的伏安特性曲線進(jìn)行說明。圖（a）中可以看出，伏安特性曲線位于一、三象限，并且圍繞原點(diǎn)對稱。在第一象限，當(dāng)外加電壓幅值低于電壓值Vs時(shí)，壓敏電阻的電流會(huì)遠(yuǎn)小于1mA，對外呈現(xiàn)阻斷狀態(tài)；當(dāng)外加電壓高于Vs后，電流會(huì)迅速上升，壓敏電阻的電壓近似維持不變，即進(jìn)行電壓鉗位。當(dāng)外界過電壓方向反向時(shí)，即在第三象限，壓敏電阻也會(huì)發(fā)生同樣過程。為更全面、細(xì)致地說明壓敏電阻的特性，圖（b）采用對數(shù)坐標(biāo)繪出了壓敏電阻在第一象限內(nèi)的伏安特性，可以看出，曲線實(shí)際上分為三段，電流小于1mA的部分，稱為漏電流區(qū)，也即前述關(guān)斷區(qū)，電阻可達(dá)1000MΩ；當(dāng)電流超過1mA后，隨電流迅速增加，電壓僅有小幅增加，即鉗位限壓區(qū)，此時(shí)，壓敏電阻呈現(xiàn)出很小的動(dòng)態(tài)電阻，壓敏電阻上的電壓增加量（一般稱為鉗位電壓）等于流過的電流乘以壓敏電阻的動(dòng)態(tài)阻；當(dāng)電流繼續(xù)增大，如超過20kA，則壓敏電阻的動(dòng)態(tài)電阻則又會(huì)大大增加，從而端電壓隨著電流而迅速增大，此時(shí)，壓敏電阻因吸收大量功率而溫度迅速上升，從而進(jìn)入危險(xiǎn)的過電流區(qū)。正常情況下，應(yīng)使壓敏電阻工作在前兩個(gè)區(qū)段。