金屬氧化物壓敏電阻的基本結構、工作原理及主要性能參數

來源：JLE電路保護與器件更新時間：2024-07-13 閱讀：

一、概述

壓敏電阻（MOV，MetalOxideResistor）是目前在電氣、電子產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來實現對瞬態過電壓的電壓鉗位抑制。壓敏電阻具有納秒級的響應速度，并且具有瞬態電壓吸收能力與其體積成正比的特點，容易做到很大的吸收容量，因此，已經廣泛應用于雷擊浪涌、靜電放電、瞬態電快脈沖（EFT，Electrical Fast Transient）等過電壓的保護。

二、基本結構和工作原理

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，經成型、燒結、表面處理等工藝而制成。圖1所示為其微觀結構示意圖。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構。氧化鋅晶粒尺寸約為10～100μm，其電阻率很低，為良導體。晶界層由添加劑構成，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，壓敏電阻內還存在一些微孔隙，分布在氧化鋅晶粒和晶界層內。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，晶界層呈現出隧道效應，即導通現象，將其兩側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通機制。如外界電場小，晶界層呈現高阻，從而使壓敏電阻對外也呈現高阻；當外界電場足夠大時，微觀上晶界層即導通，形成數量巨大的微觀上的壓敏變阻體，并且相互串聯或并聯，使得整個壓敏電阻對外呈現很低的阻抗。

圖1 氧化鋅壓敏電阻的微觀結構示意圖

從上述壓敏電阻工作機理可容易看出，加大壓敏電阻面積，就可以增加微觀壓敏電阻體并聯數目，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數目，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過電壓的能量也會相應增大。

低壓電氣、電子設備用的壓敏電阻與用于電力系統防雷的氧化鋅避雷器本質上實際是相同的，兩者的基本組成材料是一樣的，主要區別就是結構上對前述特性取舍的不同。氧化鋅避雷器安裝于高壓電網，并可能會遭受大的雷擊電流，因此采用多個大直徑氧化鋅圓片累疊而成，體積大。壓敏電阻主要應用于低壓設備，主要防感應雷擊電涌的電流，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。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 壓敏電阻結構及電路符號

圖3 不同封裝形式的壓敏電阻

三、主要性能參數

壓敏電阻的保護特性可用圖4所示的伏安特性曲線進行說明。圖（a）中可以看出，伏安特性曲線位于一、三象限，并且圍繞原點對稱。在第一象限，當外加電壓幅值低于電壓值Vs時，壓敏電阻的電流會遠小于1mA，對外呈現阻斷狀態；當外加電壓高于Vs后，電流會迅速上升，壓敏電阻的電壓近似維持不變，即進行電壓鉗位。當外界過電壓方向反向時，即在第三象限，壓敏電阻也會發生同樣過程。為更全面、細致地說明壓敏電阻的特性，圖（b）采用對數坐標繪出了壓敏電阻在第一象限內的伏安特性，可以看出，曲線實際上分為三段，電流小于1mA的部分，稱為漏電流區，也即前述關斷區，電阻可達1000MΩ；當電流超過1mA后，隨電流迅速增加，電壓僅有小幅增加，即鉗位限壓區，此時，壓敏電阻呈現出很小的動態電阻，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態阻；當電流繼續增大，如超過20kA，則壓敏電阻的動態電阻則又會大大增加，從而端電壓隨著電流而迅速增大，此時，壓敏電阻因吸收大量功率而溫度迅速上升，從而進入危險的過電流區。正常情況下，應使壓敏電阻工作在前兩個區段。