多脉冲装置设计及其冲击特性研究

卢慧慧 ，杨仲江 ，周中山 ，陈则煌 ，任 婧

（1.南京信息工程大学，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044；2.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044；3.中国民用航空宁波空中交通管理站，浙江 宁波315154）

多脉冲装置设计及其冲击特性研究

卢慧慧1，2，杨仲江1，2，周中山1，2，陈则煌1，2，任 婧3

（1.南京信息工程大学，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044；2.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044；3.中国民用航空宁波空中交通管理站，浙江 宁波315154）

为研究多脉冲电流冲击特性，设计一台十脉冲电流冲击设备，其主要由8/20 μs波形发生器，高压开关以及由D触发器组成延时电路等组成，利用其对压敏电阻进行冲击试验，试验表明十脉冲冲击下，ZnO压敏电阻U1mA变化呈现初期快速减小，中期平缓，后期快速减小趋势。泄漏电流变化呈初期缓慢上升，中期进入平缓区，后期快速增大直至损坏。与单脉冲冲击下，泄漏电流变化规律相同，但泄漏电流变化的平缓区域远远小于单脉冲冲击下的平缓区域。通过对压敏电阻热行为分析发现，在十脉冲冲击下，ZnO压敏电阻内部晶粒热导率开始下降，部分热导性能较差的晶界首先由热平衡状态转入热不平衡状态，晶界区电荷量发生变化，最终伏安特性发生蜕变。

多脉冲；肖特基势垒畸变；自然闪电；热应力；冲击老化

0 引言

自然界中一次闪击过程中存在着多个回击过程，即雷电的多脉冲现象。雷电多脉冲具有三个显著的物理特征，一是脉冲的个数较多，其波形的包络线呈现驼峰形，二是多脉冲之间的时间间隔一般为50 ms和400 ms。三是冲击的时间较长，可达到1 s[1-5]。同样，在IEC62305-1雷电防护中认为，无论上行雷或下行雷、正极性雷电或负极性雷电都有可能出现多脉冲，尤其负极性下行雷电，因此，IEC中对多脉冲给出了专门定义，定义平均含有3～4个雷击的雷电，雷击间隔时间约为50 ms的雷电为多脉冲雷电[6-10]。

目前试验室中模拟的雷电单脉冲冲击波形有8/20 μs，10/350 μs和 1.2/50 μs，其波形的包络线为指数波，没有时间间隔。显然与自然闪电规律不符。在实验室雷电冲击试验中，对ZnO压敏电阻危害最大的是冲击能量产生的热效应。由于多脉冲冲击间隔时间较短，ZnO压敏电阻呈绝热现象，这要求ZnO压敏电阻能够在短时间内承受较大的热量。但目前为止，全球各国生产的ZnO压敏电阻都是按照IEC/TC61643的产品技术标准进行研发和生产并经雷电高电压实验室采用10/350 μs或8/20 μs的单脉冲进行冲击检验，不具有或不完全具有耐受雷电多脉冲冲击的能力。在频繁无间歇的多脉冲冲击下，按照目前检验程序检验合格的ZnO压敏电阻产品[11-12]，由于承受不了多脉冲所产生的能量而发生损坏甚至起火燃烧，造成火灾。因此，根据自然闪电中多个闪电脉冲的特性，研制多脉冲试验装置，对于今后ZnO压敏电阻的研发和生产工作显得尤其重要。

笔者拟使用已有的波形发生器和延时电路进行多脉冲设备研制，并利用ZnO压敏电阻在多脉冲和单脉冲情况下不同的老化情况进行特性分析。

1 十脉冲装置

1.1 十脉冲装置设计

目前8/20 μs已经成为雷电流冲击试验的标准波形[11-15]，如图1为多脉冲试验装置中单个8/20 μs冲击发生器示意图，其为电容C、电感L和回路总电流R组成，其中R＝Rt+Rz，Rt为调波电阻，Rz为ZnO压敏电阻的等效电阻。十脉冲发生装置即为通过产生间歇可调的脉冲信号，分别对10个8/20 μs波形发生器触发放电。

图1 8/20 μs波形发生器Fig.1 8/20 μs waveform generator

图2 十脉冲延时电路图Fig.2 The ten pulse delay circuit figure

十脉冲波形发生器间歇可调的脉冲信号，其触发电流框图如图2所示，其中延时电路使用D触发器实现。当开关S合并后，1CP具有上升沿信号，1D和Vcc相连为高电平，1S和Vss相连为低电平，此时1R为低电平，根据表1中D触发器输出特性，1Q输出为高电平。从1Q中输出的高电平经过放大电路放大后作为第一个脉冲的触发信号，同时1Q输出的高电平信号进过可变电阻R1对电容C1充电，当C1两端的电压达到复位电压时，即1R为高电平，电路复位，1Q端变为低电平，暂态结束，电路回复到稳态，此时第一个脉冲结束。在1Q输出高电平时，不仅通过可变电阻R1对电容C1进行充电，同样通过可变电阻R2对电容C2充电，C2两端电压达到复位电压时，即2R为高电平，由于2S为高电平，根据表1可知，2输出高电平信号，通过功率放大器进行放大，产生第二个脉冲信号。同理，2输出高电平时，通过可变电阻R3对电容C3进行充电，当C3两端电压达到复位电压时，3输出高电平，产生第三个脉冲信号。以此类推，产生10个脉冲信号。脉冲间的间隔时间可以通过调节可变电阻RX改变CX充电时间进行控制。

1.2 十脉冲装置波形

考虑实际多次闪电回击中，首末脉冲幅值相对于中间脉冲幅值较大，将首末脉冲幅值设定为20 kA，中间幅值设定为10 kA。参照IEC62305-1中对多脉冲时间间隔的定义，将前9个脉冲间隔时间设定为60 ms。第9脉冲和第10脉冲的时间间隔设定为400 ms，因此，10个脉冲的冲击时间长度共880 ms。如图3所示，为十脉装置输出的短路波形。注：首次和末次脉冲幅值相同，中间8次脉冲具有相同的幅值。鉴于文章篇幅，此处仅展示首次和第二次脉冲短路波形。

图3 十脉冲短路波形Fig.3 Short-circuit waveform of ten pluses

2 十脉冲与单脉冲对比分析

多脉冲能在较短时间内发生多次回击，和单脉冲具有不同的特性。为研究多脉冲冲击特性，利用十脉冲和单脉冲分别冲击静态参数相近的ZnO压敏电阻片，观察压敏电阻静态参数变化，从而对其冲击特性进行分析。

2.1 试验样品选择及试验设备

试验中选择的ZnO压敏电阻，其压敏电压U1mA＝820 V，标称电流In＝40 kA，由于各个压敏电阻静态参数不可能完全相同，因此，试验前首先选择10片静态参数相近的ZnO压敏电阻，其中5片用于多脉冲试验，5片用于单脉冲试验，冲击后，对两组压敏电阻静态参数中进行求平均处理。静态参数U1mA和IL（采用0.75U1mA电压测试）使用CJ1001型压敏电阻直流参数仪进行测量。试验中单脉冲冲击试验使用冲击设备为HAEFELY PSURGE 30.2冲击模块进行冲击。

2.2 试验结果分析

ZnO压敏电阻在冲击电流的冲击作用下会发生老化，目前一般以压敏电压波动（ΔU1mA/U1mA）不大于±10%或泄漏电流（IL）不大于 20 μA 作为衡量ZnO压敏电阻可否继续使用的标准[11]。

试验中对ZnO压敏电阻进行单脉冲冲击，冲击波形为8/20 μs，峰值电流为40 kA，即In标称冲击。多脉冲为10个8/20 μs波形，首末峰值电流为20 kA，中间8个波形峰值为10 kA。每次冲击后将ZnO压敏电阻片冷却至室温后再次进行冲击。测量每次冲击后压敏电压和泄漏电流进行绘图，见图4和图5。

图4 不同脉冲下泄漏电流变化Fig.4 Changes of leakage current under the different impulses

图4 中小图为使用多脉冲进行冲击和使用单脉冲冲击情况下，ZnO压敏电阻泄漏电流的对比。由于在第7次冲击后，多脉冲冲击下的ZnO压敏电阻泄漏电流已经超出20 μA，发生损坏。因此，为更加清楚对比两者泄漏电流情况，单脉冲同样绘制出前7次冲击后泄漏电流情况。从图4中小图可以看出，在多脉冲冲击下，ZnO压敏电阻泄漏电流上升较快，在前3次冲击下，泄漏电流比较稳定，均集中在2～3 μA，上升较缓和。在第4次冲击后，泄漏电流快速增长，第6次冲击后，测量ZnO压敏电阻的泄漏电流达到34.4 μA，已经不可以继续使用。而在单脉冲冲击下，ZnO压敏电阻的泄漏电流增长较小，均在2 μA以内。

图5 不同脉冲下压敏电压变化Fig.5 Changes of U1mAunder the different impulses

图4 中大图为在单脉冲冲击情况下，ZnO压敏电阻使用In＝40 kA冲击后的泄漏电流情况。ZnO压敏电阻在冲击65次后，泄漏电流超出20 μA，发生损坏。在单脉冲冲击情况下，ZnO压敏电阻前50次冲击过程中，泄漏电流均变化不大，没有明显的增大。在冲击50次后，泄漏电流出现明显增大趋势。

图5为多脉冲冲击情况下和单脉冲冲击情况下，ZnO压敏电阻的压敏电压变化情况。从图5中可以看出，在单脉冲下，压敏电阻不具有明显的趋势。而在多脉冲冲击情况下，压敏电阻下降较明显。

综合图4和图5可以发现，在多脉冲冲击情况下，ZnO压敏电阻的老化速度明显加快。在冲击4～5次后，基本丧失保护作用。这是由于连续冲击过程中，ZnO压敏电阻处于近似绝热状态，压敏电阻散失的热量远远小于吸收的热量，因此，对于ZnO压敏电阻本身，热破坏已经取代了肖特基势垒畸变，成为冲击老化的主要原因。在多脉冲冲击时，ZnO压敏电阻内部晶粒热导率的下降，部分热导性能较差的晶界首先由热平衡状态转入热不平衡状态，使其在冲击作用下，压敏电阻产生巨大的温升，晶界区电荷量产生变化，使ZnO压敏电阻的伏安特性发生蜕变，此外，压敏电阻的内部的晶界势垒高度也充分降低，势垒宽度变窄。宏观上表现为压敏电压的快速变化以及泄漏电流迅速增大。

ZnO压敏电阻在多脉冲的第8次冲击后发生了炸裂。从对热过程的分析结果可知：连续的冲击电流，在晶界引起的巨大的温升，形成的很高的温度梯度，使晶粒热导率降低，晶界附近的热膨胀系数增大，因极大的温度梯度引起的热应力使材料从某些晶界出裂开，形成微裂纹，使电流通道面积减小，局部电流密度突然增大，最后ZnO压敏电阻因热应力而炸裂。

3 结语

针对自然界中出现的多次闪击现象，笔者提出使用8/20 μs波形发生器和延时电路研制多脉冲发生装置。通过多脉冲波形输出验证多脉冲装置具有较好的稳定性。将ZnO压敏电阻在多脉冲冲击下的老化情况与单脉冲情况下进行对比分析。分析表明：多脉冲冲击电流作用下，较单脉冲电流冲击更加容易使ZnO压敏电阻发生老化现象。此外，ZnO压敏电阻泄漏电流，在多脉冲冲击和单脉冲冲击下泄漏电流情况类似，呈现先平稳后快速上升趋势。但在多脉冲情况下，平稳时间较短，平稳过后泄漏电流快速上升。压敏电压同样呈现先平稳后快速下降趋势。

主要由于多脉冲间隔时间较短，ZnO压敏电阻散热不急时，造成晶界温度急剧升高而产生热破坏，内部晶粒热导率的下降，部分热导性能较差的晶界首先由热平衡状态转入热不平衡状态，使其在冲击作用下，晶界区电荷量产生变化，最终伏安特性发生蜕变。

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Design of the Multi-Pulse Device and Research on Its Impact Characteristics

LU Huihui1，2，YANG Zhongjiang1，2，ZHOU Zhongshan1，2，CHEN Zehuang1，2，REN Jing3
（1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.School of Atmospheric Physics，NanjingUniversity of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；3.China Ningbo Air Traffic Manage Station of Civil Aviation，Ningbo 315154，China）

In order to research the impact performance of multiple pulses current，design an impact device of ten pulses，it consist of 8/20 μs waveform generator，high voltage switch and time delay circuit which consist of D flip-flop.The impact test show that the aging rate of ZnO varistors obviously speeds up under the impact of multiple pulses.The study shows that the U1mAof ZnO varistor is rapid decrease in the early times，the U1mAchanges gently at the medium，at the later the decrease of U1mAbecome faster.The leakage current is slowly rising at first，the leakage current rise slowly at the medium.At the later the leakage current rising quickly and until the ZnO varistor is failure.Compare with the result of ZnO under the one impulse，the changing of leakage current is the same，but the time of leakage current is larger at the medium.The heat conductivity of grains becomes to decrease and the part of grain boundary which has the bad performance from the thermal equilibrium state to thermal imbalance，the charge of the grain will be changed，eventually，the V-Icharacteristic will be transformed.

multiple pulse；Schottky barrier；natural lightning；thermal stress；impulse aging

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.003

2015-11-17

卢慧慧 （1992—），女，硕士，主要研究方向：电涌保护器研发与保护，电磁兼容。

国家重点基础研究发展计划 （973计划）资助项目 （编号：2014CB441405）；国家自然科学基金项目 （编号：41175003）以及江苏高校优势学科建设工程资助项目 （PAPD）资助。