張宏群，徐彬彬，，楊天琦

（1.南京信息工程大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，南京210044；2.南京市氣象局 南京市氣象服務(wù)中心，南京210009）

直流情況下基于瞬態(tài)熱阻抗模型的MOV散熱能力研究

張宏群1，徐彬彬1，2，楊天琦2

（1.南京信息工程大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，南京210044；2.南京市氣象局 南京市氣象服務(wù)中心，南京210009）

利用瞬態(tài)熱阻抗模型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究MOV芯片通過直流電時(shí)散熱能力的變化特征，結(jié)果表明，在通過直流電時(shí)，MOV芯片的內(nèi)部晶體勢(shì)壘高度并不是直接下降的，存在一個(gè)"轉(zhuǎn)折溫度"，這個(gè)溫度是勢(shì)壘高度改變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，低于此溫度，勢(shì)壘高度上升，高于此溫度，才是單調(diào)下降的。根據(jù)此原理，可用直流電對(duì)MOV芯片進(jìn)行合適時(shí)間的"預(yù)老化"，以增強(qiáng)其初始散熱能力。

氧化鋅壓敏電阻；散熱能力；熱阻；瞬態(tài)熱阻抗模型；電涌保護(hù)器；熱熔穿

0 引 言

MOV芯片是電涌保護(hù)器（surge protection device，SPD）中重要的組成部分，其泄流能力、非線性水平、殘壓限制水平等都可以很好地滿足SPD的性能要求。而MOV芯片制造成本相對(duì)低廉，故在實(shí)踐中由MOV芯片制成的SPD占很大部分。在關(guān)于SPD的各種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，MOV型SPD的測(cè)試占據(jù)十分重要的篇幅。在相關(guān)研究中，對(duì)于MOV芯片性能的研究有很多。由于MOV芯片制成的SPD多工作與工頻交流環(huán)境，這些對(duì)MOV芯片性能的研究多基于交流環(huán)境。唐宏科等[1]研究了SPD中MOV芯片由于交流電作用產(chǎn)生熱量而脫扣的相關(guān)問題，龐馳等[2]指出避免SPD起火燃燒的關(guān)鍵在于使MOV芯片上累積的熱量快速傳導(dǎo)至熱脫扣焊點(diǎn)使熱脫扣裝置動(dòng)作。

劉艷輝等[3]分析了熱量累積引起MOV起火的原因,提出運(yùn)用溫度保險(xiǎn)絲對(duì)MOV進(jìn)行過熱保護(hù)的觀點(diǎn)，使用溫度保險(xiǎn)絲作為電涌保護(hù)器內(nèi)置脫扣裝置，住處當(dāng)脫扣時(shí)的溫度小于130℃時(shí),溫度保險(xiǎn)絲比低溫焊錫具有一定的優(yōu)越性。這些研究在宏觀上研究了MOV芯片上的熱量累積效應(yīng)。

在MOV芯片微觀熱量累積的研究上，張欣等[4]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分析了相同片徑的MOV芯片通過不同交流電流值時(shí)瞬態(tài)熱阻抗值隨溫度的變化關(guān)系，指出MOV芯片熱熔穿過程中，MOV芯片散熱能力與通過電流值有關(guān)。張西元等[5]利用直流電對(duì)MOV的熱穩(wěn)定性和吸熱能力進(jìn)行了研究，確認(rèn)直流造成的熱效應(yīng)比交流大，故研究MOV芯片在直流環(huán)境下的性能就十分重要。

1 瞬態(tài)熱阻抗模型與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 MOV熱熔穿實(shí)驗(yàn)

MOV熱熔穿試驗(yàn)的目的在于判斷MOV的散熱能力與哪些因素有關(guān)。當(dāng)MOV芯片表面出現(xiàn)明顯燒灼痕跡，可以認(rèn)為該試樣已發(fā)生熱熔穿。采用同一廠家兩種不同片徑MOV芯片各9片共18片作為試驗(yàn)樣品，按照片徑大小分為S25組和S32組，角標(biāo)表示芯片直徑。將每組試樣均分為3小組，即：S251、S252、S253和S321、S322、S323組。每個(gè)小組含 3片相同的芯片，在本文的試驗(yàn)中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為此3個(gè)相同芯片進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果的平均值。

首先進(jìn)行MOV芯片的靜態(tài)參數(shù)測(cè)試，此測(cè)試的目的在于確定MOV芯片的初始性能，并據(jù)此判斷MOV芯片進(jìn)行熱熔穿試驗(yàn)后熱熔穿現(xiàn)象是否發(fā)生。使用CJ1001型壓敏電壓直流參數(shù)儀測(cè)試各組試樣的壓敏電壓U1mA、漏電流IL和非線性系數(shù)α。得到各組靜態(tài)參數(shù)如表1。

表1 各組試樣的靜態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 The static parameters of the samples

在試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為29℃時(shí)，采用直流熱穩(wěn)定儀對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)的 S25（S251、S252、S253）和 S32（S321、S322、S323）組試驗(yàn)。每組通過的電流大小如表2所示。利用計(jì)算機(jī)采樣電流值I、電壓值U以及溫度T。根據(jù)瞬態(tài)熱阻抗的公式，Rt與功率以及溫度相關(guān)。做出各組樣品的功率與溫度的關(guān)系如圖1及圖2所示。

表2 各組試樣通過電流大小Table 2 The current of the samples

圖1 S25組熱熔穿試驗(yàn)后溫度隨時(shí)間變化Fig.1 Temperature change with time after hot melt wear test of set S25

圖2 S32組熱熔穿試驗(yàn)后溫度隨時(shí)間變化Fig.2 Temperature change with time after hot melt wear test of set S32

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成正比關(guān)系。對(duì)圖2的分析同樣能驗(yàn)證此結(jié)論。

將圖1和圖2的數(shù)據(jù)代入瞬態(tài)熱阻抗模型的公式中，可以得到各組樣品的瞬態(tài)熱阻值。相同芯片不同的溫度下瞬態(tài)熱阻值不同，做出瞬態(tài)熱阻值與溫度的關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 S25組熱阻隨溫度變化Fig.3 Thermal resistance change with temperature of set S25

圖4 S32組熱阻隨溫度變化Fig.4 Thermal resistance change with temperature of set S32

3 結(jié)果分析

對(duì)各種晶體的研究表明[9－12]，晶體內(nèi)部的雙肖特基勢(shì)壘高度與溫度有反比關(guān)系，溫度升高，勢(shì)壘高度下降。而勢(shì)壘高度是物體阻礙散熱的一個(gè)重要方面[4－5，13]，故從原理上來看，芯片的熱阻應(yīng)隨著溫度的升高而下降。

由圖3可知，試樣通過40 mA直流電時(shí)，熱阻值在室溫至50℃之間上升，并在56.7℃之前有一次明顯的躍變過程，隨后上升至72.1℃，然后才開始緩慢減小的過程，該過程才符合上述勢(shì)壘高度的原理。同樣地，試樣通過50 mA直流電時(shí)，熱阻值在室溫至75℃之間上升，并在88.9℃之前有一次明顯的躍變過程，隨后上升至101.8℃，然后才開始緩慢減?。辉嚇油ㄟ^60 mA直流電時(shí)，熱阻值在室溫至111℃之間上升，并在121.8℃之前有一次明顯的躍變過程，隨后上升至101.8℃，然后才開始緩慢減小。從圖4來看有類似的規(guī)律。

這種規(guī)律表示在通以直流電時(shí)，MOV芯片的內(nèi)部晶體勢(shì)壘高度并不是直接下降的，存在一個(gè)轉(zhuǎn)折溫度，在此溫度之后勢(shì)壘高度才是單調(diào)下降的。

相較于文獻(xiàn)[7]中MOV芯片在交流電作用下瞬態(tài)熱阻抗的變化特征，在直流環(huán)境下瞬態(tài)熱阻抗的躍變現(xiàn)象更為明顯。研究表明，MOV芯片的 “預(yù)老化”可對(duì)其耐沖擊性能造成正面影響。本實(shí)驗(yàn)中，在溫度達(dá)到躍變溫度之前，等同于一個(gè)“預(yù)老化”過程，這個(gè)過程使得芯片的散熱能力增強(qiáng)。

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Research on MOV Cooling Capability Based on Transient Thermal Impedance Model under DC Condition

ZHANG Hongqun1，XU Binbin1,2，YANG Tianqi2
（1.The School of Electronic Information and Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.Nanjing Meteorological Service Center，Nanjing Meteorological Bureau，Nanjing 210009，China）

Using the transient thermal impedance model，the design experiment is used to study the variation characteristics of the cooling capacity of MOV chip under DC，The results show that the internal crystal barrier height of the MOV chip is not directly decreased under DC，and there is a"turning temperature"，which is the turning point of the change of the barrier height，below this temperature，the barrier height rises，above this temperature，it is monotonically decreasing.According to this principle，DC can be used on the MOV chip for the appropriate time"pre－aging"to enhance its initial cooling capacity.

zinc oxide varistor；heat dissipation；thermal resistance；transient thermal impedance model；surge protective device；hot melt penetration

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.002

2016－02－19

張宏群（1982—），女，副教授，主要從事電子儀器及電涌保護(hù)研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41175003）；南京市氣象科研開發(fā)項(xiàng)目（編號(hào)：NJ201408）。