張　欣，行鴻彥，楊天琦，宋晨曦

(1．南京信息工程大學(xué)，江蘇省氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京　210044；2．南京信息工程大學(xué)，中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京　210044；3．南京市氣象局，南京市氣象服務(wù)中心，江蘇南京　210009)

0　引言

MOV型電涌保護(hù)器(Surge Protection Device，SPD)因其自身特有的泄放電流能力、非線性性質(zhì)、殘壓限制水平等在現(xiàn)代防雷技術(shù)中受到大量研究人員的關(guān)注[1-7]。隨著智能電網(wǎng)及信號傳輸系統(tǒng)對電壓保護(hù)水平要求的提高，人們在SPD因故障模式影響其正常工作等問題方面做了大量的研究工作[8-13]。除了沖擊老化劣化外，MOV芯片在各種非正常工作狀態(tài)下因熱量累積過快、散熱能力不足致使其溫度過高而引起的熱熔穿和熱劣化同樣會影響其對電流的泄放[14]，因此，對于MOV芯片散熱能力與熱量累積之間相互關(guān)系的研究也十分重要。

文獻(xiàn)[15]提出MOV芯片因制造工藝的差異導(dǎo)致局部電位梯度過高、電流密度過大、局部溫度升高，不均勻熱應(yīng)力導(dǎo)致其局部過熱熔穿或炸裂。除此以外，MOV的熱熔穿熱劣化過程與芯片在交直流下對熱量累積的吸收能力，以及芯片的散熱能力等都有直接關(guān)系[16]。

目前，MOV芯片對熱量吸收能力的研究多基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，MOV對熱量的耐受能力與MOV電壓梯度、低溫焊錫連接點(diǎn)位置、通流容量、能量耐受密度等有關(guān)[17]，一般直流電比交流電造成的發(fā)熱量大10%左右[18]。

對于MOV芯片散熱能力的研究，同樣基于對熱量累積的試驗(yàn)分析上。通過對比不同參數(shù)芯片熱量累積耐受能力的大小，間接得知MOV散熱能力與其制造工藝及片徑有直接關(guān)系[15-16]。楊天琦等[17]在分析MOV交直流電熱量累積對比中，提到可以將直流電和交流電熱量累積統(tǒng)一到“熱阻”概念上，解釋為：“引起單位溫度變化所需的電功率”。這一概念與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件無關(guān)，對于反映熱量累積比“電流有效值”更具體直接。其他研究學(xué)者又提出了根據(jù)SPD熱阻值，對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行判別的方法。研究結(jié)果表明，熱阻的引入可直接表征其散熱量的大小[10]；并指出，熱阻為熱量轉(zhuǎn)移時(shí)受到的阻力大小，其值與芯片厚度L和表面積S有關(guān)，但并未給出熱阻的數(shù)學(xué)模型。

這些對SPD熱累積的研究對實(shí)驗(yàn)條件依賴性較強(qiáng)，容易受到試驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境及方法等干擾。基于熱阻概念，結(jié)合MOV熱熔穿試驗(yàn)結(jié)果，文中提出能夠表征MOV瞬態(tài)散熱能力大小的瞬態(tài)熱阻抗模型，在此基礎(chǔ)上，分析不同電流對MOV熱阻的影響，實(shí)現(xiàn)定量表征MOV散熱能力。

1　MOV瞬態(tài)熱阻抗模型的建立

當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)，將反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量定義為熱阻[19]，即在熱平衡條件下，兩確定的點(diǎn)(或區(qū)域)溫度差與產(chǎn)生此溫度差的耗散功率的比值，單位為℃/W．其表達(dá)式為：

(1)

式(1)假設(shè)耗散功率產(chǎn)生的全部熱量流經(jīng)熱流路徑。對于MOV芯片而言，發(fā)熱是因?yàn)榱鹘?jīng)其內(nèi)部的電流產(chǎn)生的熱量累積效果，而熱量消散快慢則與熱量在流經(jīng)熱流路徑時(shí)遇到的阻力大小有關(guān)。因此，熱阻能夠反映芯片與空氣間傳熱能力的大小，即熱阻大小可直接反映MOV芯片散熱能力的大小。當(dāng)MOV芯片在熱量消散過程中，遇熱流路徑阻力大即熱阻大時(shí)，其熱量消散慢，散熱能力差；反之，當(dāng)熱流路徑阻力小時(shí)，熱量消散快，其熱阻小，散熱能力好。

熱阻是半導(dǎo)體器件的重要參數(shù)，文獻(xiàn)[18]將熱阻應(yīng)用在SPD熱穩(wěn)定方面，用熱阻代替電流有效值，定義熱阻為產(chǎn)生單位溫度變化所需消耗的電功率。即：

(2)

根據(jù)式(2)，試驗(yàn)需測得在額定功率Pa下，SPD熱穩(wěn)定溫度Ta，以及約2倍額定功率Pb下熱穩(wěn)定溫度Tb，即可得到SPD的熱阻值R。此模型反映了SPD熱平衡狀態(tài)下溫升與電功率的關(guān)系，對于改進(jìn)SPD熱穩(wěn)定熱脫扣試驗(yàn)具有重要意義。

MOV芯片在交、直流下溫升的變化是反映芯片熱量累積和散熱能力綜合效果的參量，溫升的變化正比于熱量的凈剩值的變化，即：Δt∝Q累積-Q散熱。而溫度變化與時(shí)間呈非線性關(guān)系[16]，熱量累積Q累積與通過MOV芯片的電流大小，通電時(shí)間呈線性關(guān)系，這就意味著，MOV芯片的散熱量Q散熱是隨著通電時(shí)間變化的量。

為反映MOV芯片在非熱平衡狀態(tài)下的散熱能力，引入瞬態(tài)熱阻抗Z(t)，定義為：在某一時(shí)間間隔末，結(jié)溫Tj和基準(zhǔn)點(diǎn)溫度Tr之差的變化量，與引起該溫差變化的同一時(shí)間間隔初始時(shí)階躍變化耗散功率P之比，即：

(3)

瞬態(tài)熱阻抗是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的熱阻，是芯片在通電加熱及斷電冷卻的瞬間或芯片未達(dá)到熱平衡狀態(tài)前與時(shí)間、溫度相關(guān)的瞬態(tài)熱阻值。其最大值與穩(wěn)態(tài)熱阻值相等。且發(fā)生在芯片達(dá)到熱平衡時(shí)。瞬態(tài)熱阻抗是MOV芯片的一個(gè)特性量[19]，其單位為℃/W．

在MOV芯片熱熔穿實(shí)驗(yàn)中，對芯片通電時(shí)間為連續(xù)時(shí)間，設(shè)某時(shí)刻t1和t2間隔Δt時(shí)間，t1時(shí)刻芯片溫度為T1，即：Tj(0)=T1，t2時(shí)刻芯片溫度為T2，即；Tj(t)=T2，當(dāng)Δt∝0時(shí)，即為瞬時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)溫度變化可忽略，所以：Tr(0)=Tr(t)，帶入式(3)得：

(4)

(5)

由式(3)、式(4)、式(5)可知，瞬態(tài)熱阻抗是熱阻的一種，定義MOV的瞬態(tài)熱阻抗為Rt，則有：

(6)

式(6)即為適用于MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗模型。分析該模型知，MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗與3個(gè)參數(shù)有關(guān)，是一個(gè)變化量。由于MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗可表征芯片非平衡狀態(tài)下散熱能力，所以散熱能力也是一個(gè)變化量。

2　MOV熱熔穿試驗(yàn)

為研究散熱能力與哪些因素有關(guān)，設(shè)計(jì)MOV恒定電流熱熔穿試驗(yàn)，由于芯片發(fā)熱量與通過的電流正相關(guān)，所以采用恒流試驗(yàn)；直流電流產(chǎn)生的熱量累積比交流電流產(chǎn)生的大很多，熔穿時(shí)間較短，瞬態(tài)熱阻抗變化過快，不易捕捉到熱熔穿過程中的變化，并且SPD工作狀態(tài)環(huán)境多為交流，因此，此次試驗(yàn)采用恒定交流電流試驗(yàn)。

2．1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用同一廠家片徑分別為25 mm和32 mm的2種MOV芯片各9片作為試驗(yàn)樣品，按照片徑大小分為A組和B組，再將每組試樣均分為3小組，即：A1、A2、A3和B1、B2、B3組。試驗(yàn)前測量各試樣的靜態(tài)參數(shù)，其中，壓敏電壓U1mA、漏電流IL和非線性系數(shù)α采用CJ1001型壓敏電壓直流參數(shù)儀測得，標(biāo)稱放電電流In和最大放電電流Imax由廠家標(biāo)示。靜態(tài)參數(shù)如表1。

表1　試樣靜態(tài)參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為25 ℃，溫度箱內(nèi)初始溫度為29 ℃，采用CJ1716型交流SPD熱穩(wěn)定試驗(yàn)箱試驗(yàn)。試驗(yàn)將6組試樣通過不同的恒定交流電流，分別為A1、B1組通過40 mA交流電，A2、B2組通過50 mA交流電，A3、B3組通過60 mA交流電，與試驗(yàn)箱相連接的計(jì)算機(jī)利用軟件方式實(shí)時(shí)顯示通過試樣的電流值、試樣兩端的電壓幅值以及試樣表面溫度值。

試驗(yàn)直至試樣溫度達(dá)到最高點(diǎn)并開始下降時(shí)停止通電，此時(shí)試樣兩端的電壓值已跌落60%以上，且表面有明顯變形或燒壞痕跡，認(rèn)為該試樣已發(fā)生熱熔穿現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中，每隔相同的時(shí)間間隔記錄一次電壓和溫度值，直至試樣熱熔穿為止。待試樣冷卻到室溫后，測量試樣靜態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)每一試樣壓敏電壓均跌落10%以上，漏電流均大于20 μA，證明以上對試樣已發(fā)生熱熔穿的推斷是合理的。

2．2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將測得的每一小組3片試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，分別得到A、B組的試樣各通過恒定40 mA、50 mA和60 mA交流時(shí)，MOV試樣溫度及電壓隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。其中，相同通電電流，A組試樣熱熔穿時(shí)間比B組長。并且，同一組中通過電流越大，熱熔穿越快。如表2。

表2　試樣通過恒定交流電流熱熔穿時(shí)間

同樣，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到MOV芯片溫度上升的速率跟片徑大小和通過電流值有關(guān)，如圖1所示。圖中3條曲線分別是同樣小片徑的MOV試樣，在通以40 mA、50 mA和60 mA的恒定交流電流時(shí)溫度變化曲線，可以看出：片徑相同的試樣，通以不同電流，溫度上升速率與通電電流大小呈正比關(guān)系。其中通以40 mA電流的試樣，在350～420 s時(shí)間范圍內(nèi)溫度達(dá)到最大值并且試樣處于熱平衡狀態(tài)，之后發(fā)生熱熔穿，溫度下降；而通以50 mA和60 mA電流的試樣，溫度曲線上升明顯比40 mA快，但溫度達(dá)到最大值后沒有熱平衡狀態(tài)，而直接熔穿。對B組試樣分析同樣支持該結(jié)論。

圖1　A組MOV通過不同電流時(shí)溫度隨時(shí)間變化

由此可知，MOV芯片通以大電流時(shí)會導(dǎo)致芯片溫度上升過快，研究表明，ZnO晶粒組成的雙肖特基勢壘與溫度成反比關(guān)系[17]，故溫度迅速升高會使勢壘高度下降過快，芯片急速熱劣化，以至未能達(dá)到穩(wěn)定勢壘高度就已發(fā)生熔穿，晶界也隨之消失[20-21]。

相同電流下，不同片徑的試樣，溫度變化也不相同，如圖2、3所示。圖2中，試樣通以相同的40 mA電流，A組試樣溫度上升速率大于B組。通電電流相同，即熱量的累積量相同，而溫度上升快反映熱量累積量與散熱量綜合后的凈剩量大，由此可以得出，小片徑試樣的散熱量明顯比大片徑小，說明散熱量與MOV芯片片徑呈正比關(guān)系。圖3是A2、B2組試樣通過50 mA電流時(shí)溫度的對比圖，同樣證明以上結(jié)論。

圖2　A1、B1組MOV通過40 mA電流時(shí)溫度隨時(shí)間變化

圖3　A2、B2組MOV通過50 mA電流時(shí)溫度隨時(shí)間變化曲線

3　基于瞬態(tài)熱阻抗模型的MOV散熱能力分析

利用建立的適用于MOV芯片的瞬態(tài)熱阻抗模型，可計(jì)算MOV芯片非平衡狀態(tài)下瞬時(shí)熱阻抗值，分析得到各參量對MOV芯片散熱能力的影響。

3．1片徑對散熱能力的影響

此前研究者多認(rèn)為，MOV芯片散熱能力大小可直接根據(jù)片徑大小判別[15-16]，但均未能用具體的參數(shù)說明不同片徑的芯片散熱量隨時(shí)間和溫度的變化關(guān)系。定量研究片徑不同MOV散熱能力，可利用式(6)進(jìn)行計(jì)算。

在瞬態(tài)熱阻抗模型中，溫差是影響熱阻值大小的關(guān)鍵因素，故要求計(jì)算MOV瞬態(tài)熱阻抗值時(shí)，應(yīng)按照相同的時(shí)間間隔截取溫度及功率值。圖4和圖5 中A、B組的MOV試樣分別通過大小相等的恒定電流，以保證在隨時(shí)間的變化過程中，熱量的累積量是大小相等恒定不變的。相同溫度下，芯片勢壘高度相同，非線性相當(dāng)，其瞬態(tài)熱阻抗與溫度的變化關(guān)系即能代表試樣瞬時(shí)散熱能力的變化過程。圖中，A、B組MOV試樣的瞬態(tài)熱阻抗值并非一恒定值，而是隨著溫度的升高呈遞減下降，相同的溫度值下，A組試樣熱阻值大于B組試樣，說明MOV芯片的散熱能力隨溫度的升高而增大，并且相同溫度下，小片徑芯片的散熱能力小于大片徑。

圖4　A1、B1組MOV通過40 mA電流時(shí)瞬態(tài)熱阻抗隨溫度變化曲線

圖5　A2、B2組MOV通過50 mA電流時(shí)瞬態(tài)熱阻抗隨溫度變化曲線

在熱熔穿先期階段，因散熱量增大值不足以抵消熱量累積的遞增量，Q累積>Q散熱，Δt>0，溫度升高；當(dāng)熱阻值增大至散熱量等于熱量累積量時(shí)，Q累積=Q散熱，Δt=0，溫度不再上升，試樣進(jìn)入熱平衡狀態(tài)，如圖2、圖3中B組試樣所示。通電電流對試樣繼續(xù)保持熱劣化作用，持續(xù)高溫將導(dǎo)致晶界層耗散，散熱量加大，Q累積>Q散熱，Δt>0，溫度升高；當(dāng)熱阻值增大至散熱量等于熱量累積量時(shí)，Q累積=Q散熱，Δt=0，溫度不再上升，試樣進(jìn)入熱平衡狀態(tài)，如圖2、圖3中B組試樣所示。Q累積

以上結(jié)論同樣證明此前研究者得出的MOV芯片片徑大小正相關(guān)其散熱能力大小的結(jié)論，由此驗(yàn)證了所建立的適用于MOV的瞬態(tài)熱阻抗模型的正確性。

MOV芯片通過大小相同的恒定電流時(shí)瞬態(tài)熱阻抗是隨時(shí)間變化的值，如圖6、圖7所示。A組試樣熱阻值下降速率大于B組，可知試樣溫度升高較B組快，其散熱能力低于B組。由此可知，片徑不同的MOV芯片，熱阻值下降速率與熱熔穿時(shí)間呈反比，間接證明MOV芯片片徑與熱熔穿時(shí)間成正比。

圖6　A1、B1組MOV通過40 mA電流時(shí)瞬態(tài)熱阻抗變化曲線

圖7　A2、B2組MOV通過50 mA電流時(shí)瞬態(tài)熱阻抗變化曲線

3．2熱熔穿電流對散熱能力的影響

針對通電電流值不同引起的MOV芯片熱量累積，此前多數(shù)研究者做了大量試驗(yàn)分析[14，16-18]，但均未提及在不同通電電流值下，熱量消散對溫升的影響?；谒矐B(tài)熱阻抗模型，分析相同片徑MOV試樣通過不同電流值時(shí)瞬態(tài)熱阻抗值隨溫度的變化關(guān)系，以A組試樣為例，得到關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8　A組MOV通過不同電流時(shí)瞬態(tài)熱阻抗隨溫度變化曲線

圖8中，瞬態(tài)熱阻抗值隨溫度上升呈遞減下降，溫度在85 ℃左右之前，瞬態(tài)熱阻抗值與通過電流值呈反比關(guān)系，85 ℃時(shí)，通以60 mA電流試樣的瞬態(tài)熱阻抗值發(fā)生大幅躍變，由0.54 ℃/W躍變至0.59 ℃/W，大于通電40 mA和50 mA試樣的熱阻值。而通以50 mA電流試樣的瞬態(tài)熱阻抗值在溫度達(dá)到158 ℃左右也發(fā)生相同的躍變現(xiàn)象，熱阻值由0.29 ℃/W躍變至0.31 ℃/W，之后相同溫度下熱阻值處于通電40 mA試樣和通電60 mA試樣之間。直至溫度達(dá)到224 ℃，通以40 mA電流試樣的瞬態(tài)熱阻抗值發(fā)生躍變，大于通電50 mA和60 mA試樣的熱阻值。由此可見，相同片徑的MOV芯片，通以不同電流，散熱能力在達(dá)到某一“躍變溫度”時(shí)會由原先的隨溫度上升而升高躍變?yōu)殡S溫度上升而降低，致使溫度較低時(shí)試樣散熱能力與通電電流值呈反比關(guān)系，躍變?yōu)闇囟壬吆蟮恼汝P(guān)系。且不同的通電電流下，該“躍變溫度”不同。B組試樣亦如此。

由此可知，相同片徑MOV芯片通過不同大小電流時(shí)，芯片的瞬態(tài)熱阻抗值經(jīng)歷下降-增大-下降的過程，芯片散熱能力并非單向變化，且通過電流越大，瞬態(tài)熱阻抗躍變溫度越低。

圖9是A組試樣通過不同電流值時(shí)熱阻值隨時(shí)間變化的曲線。圖中，熱阻值下降的速率呈正比關(guān)系，以此證明片徑相同的MOV芯片，熱熔穿時(shí)間與電流值呈反比。

圖9　A組MOV通過不同電流時(shí)瞬態(tài)熱阻抗變化

4　結(jié)論

(1)在熱阻概念的基礎(chǔ)上，建立適用于表征MOV散熱能力的瞬態(tài)熱阻值模型。

(2)利用此模型，研究MOV芯片片徑和熱熔穿電流值對其散熱能力的影響，定量計(jì)算了MOV散熱能力。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明MOV芯片熱阻值為一隨時(shí)間變化的量，即熱熔穿過程中，MOV芯片的散熱能力是隨時(shí)間延長其勢壘高度降低同時(shí)散熱能力增強(qiáng)。

(4)利用瞬態(tài)熱阻抗模型計(jì)算得到，通過相同電流值，溫度相同時(shí)，片徑與瞬態(tài)熱阻抗呈反比，即相同熱熔穿電流作用下，同溫度，MOV芯片片徑越大，瞬時(shí)散熱能力越好。

(5)片徑相同的MOV芯片，熱熔穿初期，瞬態(tài)熱阻抗與通過電流值呈反比，隨著溫度升高，熱熔穿過程中存在一個(gè)“躍變溫度”，在此溫度之后瞬態(tài)熱阻抗值與通電電流躍變?yōu)槌收?，且“躍變溫度”值與通電電流大小呈反比。

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行鴻彥(1962-)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能化氣象儀器設(shè)計(jì)與研究、計(jì)量技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，微弱信號檢測與處理，雷電防護(hù)技術(shù)與儀器等方面的研究。

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