金属氧化物压敏电阻的基本结构、工作原理及主要性能参数

来源：JLE电路保护与器件更新时间：2024-07-13 阅读：

一、概述

压敏电阻（MOV，MetalOxideResistor）是目前在电气、电子产品中使用最广泛的雷击电涌抑制器件，其利用金属氧化物晶粒（主要是ZnO）和晶界层间的隧道效应来实现对瞬态过电压的电压钳位抑制。压敏电阻具有纳秒级的响应速度，并且具有瞬态电压吸收能力与其体积成正比的特点，容易做到很大的吸收容量，因此，已经广泛应用于雷击浪涌、静电放电、瞬态电快脉冲（EFT，Electrical Fast Transient）等过电压的保护。

二、基本结构和工作原理

压敏电阻以氧化锌为主要成分，添加微量的二氧化铋、三氧化钴、三氧化锰、三氧化锑等多种金属氧化物，经成型、烧结、表面处理等工艺而制成。图1所示为其微观结构示意图。从图1（a）可以看出，压敏电阻主要包含氧化锌晶粒、晶界层、尖晶石晶粒以及空隙等微结构。氧化锌晶粒尺寸约为10～100μm，其电阻率很低，为良导体。晶界层由添加剂构成，其将氧化锌微粒隔开。尖晶石晶粒为氧化锌与氧化锑的混合物，其尺寸约为几微米，分布于晶界层。此外，压敏电阻内还存在一些微孔隙，分布在氧化锌晶粒和晶界层内。压敏电阻的特性主要由晶界层特性决定。晶界层在低电场作用下，电阻率大于108Ω·m；而在高电场时，晶界层呈现出隧道效应，即导通现象，将其两侧的氧化锌晶粒电连接在一起，形成低阻抗，即为“微观上的压敏变阻体”。图1（b）所示为压敏电阻宏观导通机制。如外界电场小，晶界层呈现高阻，从而使压敏电阻对外也呈现高阻；当外界电场足够大时，微观上晶界层即导通，形成数量巨大的微观上的压敏变阻体，并且相互串联或并联，使得整个压敏电阻对外呈现很低的阻抗。

图1 氧化锌压敏电阻的微观结构示意图

从上述压敏电阻工作机理可容易看出，加大压敏电阻面积，就可以增加微观压敏电阻体并联数目，从而增加通流电流容量；加大压敏电阻的厚度，就可以增加微观压敏电阻体串联数目，从而增加钳位电压的水平；压敏电阻的体积增大，则压敏电阻所能吸收的瞬态过电压的能量也会相应增大。

低压电气、电子设备用的压敏电阻与用于电力系统防雷的氧化锌避雷器本质上实际是相同的，两者的基本组成材料是一样的，主要区别就是结构上对前述特性取舍的不同。氧化锌避雷器安装于高压电网，并可能会遭受大的雷击电流，因此采用多个大直径氧化锌圆片累叠而成，体积大。压敏电阻主要应用于低压设备，主要防感应雷击电涌的电流，因此主要为单一圆片，体积小。图2所示为电力避雷器、圆形压敏电阻以及压敏电阻的电路符号。图3所示为引线封装、表面封装、螺钉紧固等不同封装形式的压敏电阻。

图2 压敏电阻结构及电路符号

图3 不同封装形式的压敏电阻

三、主要性能参数

压敏电阻的保护特性可用图4所示的伏安特性曲线进行说明。图（a）中可以看出，伏安特性曲线位于一、三象限，并且围绕原点对称。在第一象限，当外加电压幅值低于电压值Vs时，压敏电阻的电流会远小于1mA，对外呈现阻断状态；当外加电压高于Vs后，电流会迅速上升，压敏电阻的电压近似维持不变，即进行电压钳位。当外界过电压方向反向时，即在第三象限，压敏电阻也会发生同样过程。为更全面、细致地说明压敏电阻的特性，图（b）采用对数坐标绘出了压敏电阻在第一象限内的伏安特性，可以看出，曲线实际上分为三段，电流小于1mA的部分，称为漏电流区，也即前述关断区，电阻可达1000MΩ；当电流超过1mA后，随电流迅速增加，电压仅有小幅增加，即钳位限压区，此时，压敏电阻呈现出很小的动态电阻，压敏电阻上的电压增加量（一般称为钳位电压）等于流过的电流乘以压敏电阻的动态阻；当电流继续增大，如超过20kA，则压敏电阻的动态电阻则又会大大增加，从而端电压随着电流而迅速增大，此时，压敏电阻因吸收大量功率而温度迅速上升，从而进入危险的过电流区。正常情况下，应使压敏电阻工作在前两个区段。