李祥超，董昌鑫，蔡露進(jìn)，徐曉培，楊 悠，舒 璇

（南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠－云－降水重點開放實驗室，南京210044）

固體放電管在組合波發(fā)生器沖擊下的性能分析

李祥超，董昌鑫，蔡露進(jìn)，徐曉培，楊 悠，舒 璇

（南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠－云－降水重點開放實驗室，南京210044）

針對固體放電管在組合波發(fā)生器沖擊下的性能問題，通過固體放電管原理的理論分析，利用理論與試驗相結(jié)合的方法，采用組合波發(fā)生器對固體放電管進(jìn)行沖擊試驗，得出：固體放電管的點火電壓越高殘壓越高，并且殘壓是隨沖擊電壓的增大而增大，點火電壓在33.0 V～71.2 V之間的固體放電管承受浪涌的能力好，更耐用；固體放電管的通流與點火電壓無關(guān)，具有泄放大電流的作用；固體放電管導(dǎo)通后處于低阻狀態(tài)，具有的限壓作用，點火電壓越小的固體放電管吸收的能量越多，越有利于設(shè)備的保護(hù)。該結(jié)論在電涌保護(hù)器的應(yīng)用中有一定參考價值。

固體放電管；能量配合；殘壓

0 引言

在科技飛速發(fā)展的時代，人們對電子化產(chǎn)品的需求和期望日益加深，電子儀器、設(shè)備的精進(jìn)使得它們對自然雷擊等異常電壓十分敏感，隨之而來的防雷擊抗浪涌問題便占據(jù)了人們的視線。氣體放電管是常見的電涌保護(hù)器元件，但它卻有著自身響應(yīng)時間慢、瞬態(tài)電流小的缺點。固體放電管是一種新穎的瞬態(tài)過壓開關(guān)型保護(hù)器件 ，它具有起動快、壽命長、參數(shù)一致性好、通態(tài)壓降低、對稱性好的優(yōu)點，而其精確導(dǎo)通、無限重復(fù)和快速響應(yīng)的優(yōu)越性能更是氣體放電管等保護(hù)器件所遠(yuǎn)不及的。因此對固體放電管的研究應(yīng)用，能更有效的保護(hù)設(shè)備安全[1-8]。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對固體放電管做過大量實驗及理論研究工作[9-17]：王曉明、孫兆沖等人對采用固體放電管作為主開關(guān)的發(fā)生器，增加固體放電管的組合模塊提高輸出電壓，晶閘管組合模塊有對負(fù)載的單向、雙向和續(xù)流3種放電工作模式等方面進(jìn)行了研究[9]。李維波、饒金等人提出利用它構(gòu)建強脈沖功率投切開關(guān)，并用軟件構(gòu)建試驗回路的仿真建模，分析阻容吸收回路參數(shù)對晶閘管過電壓的影響特性[10]。以上研究者對固體放電管在電路中的應(yīng)用做出了充分的研究，對固體放電管大部分是在電路中與其它器件配合使用的研究。根據(jù)實測，點火電壓不同的固體放電管對電壓的敏感程度也不一樣，因此有必要對固體放電管在遭受不同電壓沖擊下的殘壓、能量等特征進(jìn)行研究。

筆者采用組合波發(fā)生器對固體放電管進(jìn)行沖擊試驗，研究其主要技術(shù)參數(shù)隨著沖擊電壓的變化趨勢，以及對固體放電管產(chǎn)生的吸收能量做出分析。總結(jié)出固體放電管在沖擊過程中殘壓及能量吸收的變化規(guī)律。

1 固體放電管原理

為了了解固體放電管中開關(guān)的物理過程，先采用由兩只晶體管組成的等效模型來代替固體放電管的pnpn結(jié)構(gòu)。通常，只是利用能將pnpn結(jié)構(gòu)從概念上分解為兩個晶體管的方法。相鄰pn結(jié)的相互影響，可以通過晶體管的作用，用已知的關(guān)系來描述。等效模型本身能相當(dāng)完美地解釋固體放電管的重要特性和推導(dǎo)典型的規(guī)律。并且，它還有可以比較簡單地概括物理過程的優(yōu)點。此時，這個模型可以通過實驗直接比較而得到驗證。

1.1 固體放電管等效模型

這個模型可用下列方法得到：設(shè)想按照圖1（a），沿虛線，把固體放電管的兩個基區(qū)剪開隨后用導(dǎo)線互相連接起來，如圖1（b）所示。在這個圖中，去掉由基區(qū)上分開的靠外的p和n層區(qū)域，因為現(xiàn)在它對電流沒有效用，這樣就可以得到圖1（c）所示的等效模型。它由一個pnp晶體管組成，并按上述方式互相連接起來。

在固體放電管的導(dǎo)通方向，正電壓加于下面的p區(qū)即陽極上。兩邊的pn結(jié)J1和J3處于正向，因此此處p區(qū)相對于n區(qū)都是正的；與此相反，中間的pn結(jié)J2則處于反向。

圖1 用分割法把固體放電管結(jié)構(gòu)分解成由兩個晶體管組成的等效模型的步驟Fig.1 The solid discharge tube structure are divided into the equivalent model which is composed of two transistors steps by segmentation method

由于處于正向，J1和J3結(jié)向領(lǐng)近的基區(qū)注入少數(shù)載流子，起著發(fā)射極的作用，而處于反向偏置的J2結(jié)則起著集電極的作用。所以在等效模型中，一個晶體管的集電極總是和一個晶體管的基區(qū)連接在一起的。

1.2 分析瞬態(tài)過程的方法

1.2.1 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理

當(dāng)固體放電管由一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)時，各中性區(qū)中剩余載流子濃度就會發(fā)生變化。這一變化一部分通過產(chǎn)生-復(fù)合過程來實現(xiàn)，一部分通過載流子輸運，而這里主要是通過擴(kuò)散來實現(xiàn)的。這個過程要持續(xù)一定的時間，因此，原則上將導(dǎo)致載流子分布落后于和當(dāng)時的電流相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)分布。假如在新穩(wěn)態(tài)分布的調(diào)整過程只有產(chǎn)生-復(fù)合過程起主要作用，那未延遲時間將與載流子壽命的數(shù)量級相同，如果運輸過程起主要作用，則延遲時間將與載流子通過基區(qū)的渡越時間的數(shù)量級相同。

對于在過渡時間中電流本身只有很少變化的情況，t0時真正的載流子分布 Δp（t0）和穩(wěn)態(tài)分布 Δp穩(wěn)態(tài)之間的差別實際上是可以忽略的。

這樣，t0時存在的情況就和電流 I穩(wěn)態(tài)=I（t0）下的穩(wěn)態(tài)情況一樣了。因此，通過pn結(jié)J2的電流可以像穩(wěn)態(tài)情況下一樣，通過電流平衡來確定，見圖2。

圖2 在載流子渡越時間內(nèi)陽極電流很少變化的情況下，固體放電管中的電流Fig.2 The current in the solid discharge tube when the anode current is rarely changed during the carrier transit time

在忽略J2勢壘區(qū)中的載流子倍增的情況下，得到

1.2.2 電流快速變化情況下的電流平衡

從麥克斯韋方程出發(fā)，可以得到最一般的結(jié)論是，總電流的發(fā)散量為零。因此，在時間t時載流子的傳導(dǎo)電流和位移電流的總和在固體放電管內(nèi)每個x 位置處都是同樣大的。 根據(jù)圖3，用 Ip（x3，t）表示時間t時由n基區(qū)通過x3擴(kuò)散至J2的空間電荷區(qū)的空穴電流，相應(yīng)地用 In（x4，t）表示由 p 基區(qū)通過 x4向J2流的電子電流，并且假設(shè)，載流子在勢壘區(qū)J2中渡越時間是非常小的，那末xJ2處的平衡式為

圖3 一般情況下，固體放電管中的瞬態(tài)電流Fig.3 In general case，transient current in the solid discharge tube

在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)情況下，IP（x3，t）可以用 J1的瞬時發(fā)射極電流 I（x2，t）來表示，即 Ip（x3，t）=α1I（x2，t）。 但是，在電流快速變化的情況下，由于有限的載流子渡越時間，在時間t那個剛剛發(fā)生的發(fā)射極電流變化還不能完全影響集電結(jié)J2邊緣x3處的載流子濃度梯度。因此，空穴電流Ip（x3，t）在很大程度上由原先的發(fā)射極電流變化來決定。

2 試驗方案及試驗數(shù)據(jù)的分析

2.1 試驗方案

通過組合波發(fā)生器自0.1 kV起依次增大沖擊電壓，施加于固體放電管進(jìn)行沖擊試驗。試驗選用P0080E、P03C、P06C、P07B四種型號的固體放電管，用靜態(tài)測試儀測得它們的點火電壓分別為13.1 V、33.0 V、71.2 V、81.1 V，實驗原理如圖4所示。利用Tektronix TDS 2022B型示波器分別采集各型號固體放電管的通流和殘壓。

圖4 試驗原理圖Fig.4 Test schematic diagram

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

圖5 固體放電管兩端殘壓和通流的波形圖Fig.5 Oscillogram of the flow passage and residual voltage on both ends of the solid discharge tube

沖擊電壓為 0.8 kV 時，P0080E、P03C、P06C 三種型號固體放電管的通流和殘壓波形如圖5所示。其中圖（a）～（c）依次是點火電壓為 13.1 V、33.0 V、71.2 V的固體放電管通流和殘壓波形圖。圖5（d）是沖擊電壓為0.1 kV時，放電電壓為81.1 V的P07B型固體放電管的通流和殘壓波形圖。曲線A為沖擊后的殘壓曲線，曲線B為沖擊后的通流曲線。

由圖5 （a）、（b）、（c） 可知當(dāng)沖擊電壓為 0.8 kV時，P0080E、P03C、P06C固體放電管的通流峰值分別為318 A、320 A、325 A，波形大致相同，均是經(jīng)沖擊后逐漸上升至峰值，然后下降到零，圖5（a）與（b）圖的通流波形變化趨勢相差不大，只是上升沿時間有些微不同，圖5（c）比圖5（a）、（b）兩圖的上升沿時間長，沖擊后通流的變化趨勢相比圖5（a）、（b）的通流跨度大，波形持續(xù)時間長，上升至峰值及下降也較平緩。在電涌條件下通過短路使主要保護(hù)器失效是合乎需要的，這樣就防止了電涌進(jìn)一步的擴(kuò)展。當(dāng)電涌大大超過固體放電管的承受容量時，固體放電管將突然失效，據(jù)實測P07B型固體放電管對電壓異常敏感，稍有過甚便會損壞，所以圖5（d）選取沖擊電壓較低且不至于造成固體放電管損壞時的波形圖，即圖（d）所示沖擊電壓為0.1 kV時，P07B固體放電管的通流峰值為75 A，通流趨勢也是先上升后下降趨于零。由固體放電管的pnpn結(jié)構(gòu)可知，一旦開通后，基本固體放電管將保持導(dǎo)通很小的電流。固體放電管要求用大的電流關(guān)斷。通過一個PN結(jié)電極的阻性分流能獲得大關(guān)斷電流。據(jù)理論可知P型材料對陰極有阻性分流，N型材料對陽極有阻性分流。當(dāng)頂部陽極電極相對于底部陰極為正時，便出現(xiàn)開關(guān)特性。固體放電管的開關(guān)特性分為4個部分，斷態(tài)區(qū)從原點延伸至擊穿起始點，斷態(tài)電流是結(jié)反向電流和所有表面漏電流的總和。擊穿區(qū)時從電壓—電流特性的高動態(tài)電阻的低電流部分開始變化，至顯著的低動態(tài)電阻區(qū)、電流劇增的區(qū)域。最終，當(dāng)固體放電管正反饋出現(xiàn)足以激活開通時，該區(qū)域終止。由于伴隨固體放電管激活的結(jié)雪崩擊穿，使該區(qū)域是低電阻特性。負(fù)電阻區(qū)是一個動態(tài)狀態(tài)，固體放電管正反饋隨時間而真加導(dǎo)致電流增加，這引起固體放電管兩端的電壓降低，直至達(dá)到通態(tài)狀態(tài)。通態(tài)區(qū)完全正反饋的固體放電管通過的電流產(chǎn)生最低電壓降。剛好維持通態(tài)的最小電流，低于該電流會導(dǎo)致固體放電管關(guān)斷。根據(jù)實測所得波形圖可得在進(jìn)行沖擊后，固體放電管迅速導(dǎo)通，這時近乎于短路，可以保護(hù)設(shè)備達(dá)到快速消除浪涌的目的。

圖中波形可看出在前幾微秒內(nèi)固體放電管的電流有極小的振蕩，變化并不大，此時處于固體放電管工作狀態(tài)的斷態(tài)區(qū)，固體放電管兩端的電壓并沒有達(dá)到導(dǎo)通電壓，固體放電管呈高阻狀態(tài)，但它本身也具有半導(dǎo)體器件的性質(zhì)，會有少量的漏電流流過，因此形成小幅度的電流變化。當(dāng)電壓超過點火電壓時，進(jìn)入擊穿區(qū)在正向載流子的作用下，出現(xiàn)雪崩狀態(tài)，此時電壓增加并引起電流急劇增加，通流波形開始逐漸上升。之后是負(fù)電阻區(qū)，電壓繼續(xù)增大，流過固體放電管的通流增大，但電壓開始減小。最后進(jìn)入通態(tài)區(qū)，此時3個PN結(jié)全部變?yōu)檎?，?dǎo)通大電流，而器件處于低阻的狀態(tài)。各型號的固體放電管波形趨勢相差不大與點火電壓的大小無關(guān)。

在經(jīng)電壓沖擊后，因沖擊電壓超過點火電壓，處于圖中沖擊后較高的殘壓，但僅維持極短的時間，之后據(jù)理論固體放電管導(dǎo)通狀態(tài)下殘壓為PN結(jié)電壓，并且多次放電，可使殘壓保持不變?？傻贸龉腆w放電管的電壓響應(yīng)速度十分快速。圖中電壓波形均是在經(jīng)沖擊后快速響應(yīng)，并維持電壓在一個穩(wěn)定的值持續(xù)一段時間，待浪涌消失后，波形平緩趨于零，固體放電管自動回復(fù)到初始時的截止?fàn)顟B(tài)。

圖6 能量圖Fig.6 Energy diagram

圖7為各型號固體放電管的殘壓隨沖擊電壓變化的曲線圖，橫坐標(biāo)為沖擊電壓自0 kV到20 kV依次增加，縱坐標(biāo)為殘壓。據(jù)圖可得出隨沖擊電壓的增大，P0080E的殘壓變化范圍在6 V～30 V，P03C的殘壓變化范圍在6 V～68 V，P06C的殘壓變化范圍在15 V～24 V，P07B的能量變化范圍在26 V～32 V。各固體放電管的殘壓變化趨勢均隨沖擊電壓的增大而增大，點火電壓越高的固體放電管殘壓越高，圖中曲線可看出P03C和P06C的殘壓數(shù)據(jù)較另外兩個的多且變化范圍大并不易損壞，由此可得點火電壓在33.0 V～71.2 V之間的固體放電管能承受浪涌的能力好，壽命長，更耐用。

圖7 殘壓圖Fig.7 Residual voltage figure

通過上表1來分析通流與開通時間在不同點火電壓的固體放電管下產(chǎn)生的關(guān)系。可得出由于固體放電管的工作狀態(tài)導(dǎo)通前的斷態(tài)區(qū)，使得通流的變化總是稍滯后于殘壓的變化，雖然固體放電管的點火電壓不同，但通流值卻相差并不是很大，只有小幅度的變動。因此我們得出結(jié)論：通流值的變化與固體放電管的開通時間長短及點火電壓的大小沒有太大關(guān)系。這也證明了固體放電管在其中起到大電流泄放的作用。

表1 各型號固體放電管的通流及開通時間的試驗結(jié)果Table 1 The test results of flow and opening time of each type of solid discharge tube

3 結(jié)論

通過固體放電管原理及試驗結(jié)合，詳細(xì)地對固體放電管的能量、殘壓等進(jìn)行了分析研究，通過沖擊試驗得出用不同點火電壓的固體放電管時的通流值、殘壓值的關(guān)系，并對以上試驗數(shù)據(jù)對比分析，得出如下結(jié)論：

1）固體放電管為pnpn型結(jié)構(gòu)，在試驗中有4個工作狀態(tài)，在過浪涌條件下固體放電管能迅速導(dǎo)通短路，使設(shè)備得到保護(hù)。P0080E、P03C、P06C、P07B的殘壓變化范圍分別是 6 V～30 V、6 V～68 V、15 V～24 V、26 V～32 V，各固體放電管的殘壓隨沖擊電壓的增大而增大，點火電壓越高的固體放電管殘壓越高，點火電壓在33.0 V～71.2 V之間的固體放電管承受浪涌的能力好，壽命長，更耐用。

2）實驗表明，在換用點火電壓不同的固體放電管的試驗中，通流值相差不大，均在50 kA～460 kA之間變化；可得出通流值的變化與固體放電管的點火電壓大小沒有太大關(guān)系。這也證明了固體放電管具有泄放大電流的作用。

3）隨沖擊電壓的增大，P0080E、P03C、P06C、P07B 的能量變化范圍分別是 4 J～67 J、5 J～32 J、3 J～18 J、3 J～5 J，點火電壓越小的固體放電管吸收的能量越多，能量變化范圍也比較大。點火電壓過高的固體放電管吸收的能量越少，能承受的浪涌的能力也越低，更容易損壞。固體放電管導(dǎo)通后處于低阻狀態(tài)，體現(xiàn)了它所具有的限壓作用。固體放電管的點火電壓越小，它吸收的能量越多，越有利于設(shè)備的保護(hù)。

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Performance Analysis of Solid Discharge Tube under Impulse of Combination Wave Generator

LI Xiangchao， DONG Changxin， CAI Lujin， XU Xiaopei， YANG You， SHU Xuan
（Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）

According to the performance of solid discharge tube under the impulse of the combination wave generator， the conclusions are obtained， based on the combination of the theoretical analysis on solid discharge tube principle and the impulse test by wave generator impulse current generator on solid discharge tube.It is concluded that:the residual voltage of solid discharge tube voltage is increased with the ignition voltage，and the residual voltage is increased with the impulse voltage，the solid discharge tube has good ability and more durable when the discharge voltage is between 33.0 V～71.2 V；The flow of the tube is independent of the ignition voltage and has the function of dropping high current;The solid discharge tube is still in low－resistance after working and has the ability of limited voltage，the less the ignition voltage is the more the energy absorbed by the solid discharge tube，thus the better effect of protection for equipment.The results have reference for the application of surge protective device （SPD）.

solid discharge tube； energy cooperation； residual voltage

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.02.001

2015－11－13

李祥超 （1969—），男，副教授，主要從事電涌保護(hù)器研發(fā)與測試。

973國家重點基礎(chǔ)研究計劃 （編號：2014CB441405）。