瞬變電壓抑制器浪涌壽命模型探討

姜麗　武榮榮　黃姣英　賈穎

摘 要： 瞬變電壓抑制器（TVS）的浪涌壽命是TVS使用方最為關注的可靠性指標。在對TVS浪涌壽命特點及其主要影響因素分析的基礎上，根據Arrehenius模型原理建立了TVS浪涌壽命與脈沖峰值電流倍數和環境溫度這兩個主要影響因素的關系模型，基于加速浪涌壽命試驗數據確定了該模型中待定系數的取值。鑒于TVS使用條件可能與試驗條件不同，采取調整系數的辦法對模型進行完善，通過理論計算給出非試驗波形調整系數的計算公式，通過試驗數據和MIL?HDBK?217F中TVS失效率模型調整系數給出了質量調整系數和環境調整系數。試驗數據表明建立的TVS浪涌壽命模型比較客觀地反映了TVS的浪涌壽命與主要使用因素的關系。

關鍵詞： 瞬變電壓抑制器； 浪涌壽命； 模型； 調整系數

中圖分類號： TN306?34； TN31 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0138?04

0 引 言

當今電子設備電磁兼容要求越來越高，瞬態電磁脈沖的防護，除了傳統的屏蔽、濾波、接地等方法外，還常采用旁路保護器件或電路。所謂旁路保護，是對被保護對象并聯一組保護器件或電路，當電路中出現因電磁脈沖耦合產生的瞬態過電壓時，保護器件或電路先行擊穿，吸收電磁脈沖的大部分能量并轉化為其他形式，將被保護電路兩端的電壓控制在其能承受的范圍內。目前，電子設備最常用的旁路保護器件是瞬變電壓抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor），其性能較過去常用旁路保護器件如壓敏電阻等優越，其中最突出的就是在脈沖持續時間內箝位電壓隨電流變化微小，能經受瞬態脈沖的次數多，且多次電壓箝位后性能不變。而TVS能承受的瞬態脈沖次數自然成為TVS選用時重要的可靠性指標。因此，雖然美軍標MIL?HDBK?217F等可靠性預計手冊給出了TVS工作失效率模型[1]，但不足以提供TVS選用時所需的可靠性指標。自從20世紀70年代，美國國家宇航局（NASA）提出浪涌壽命（Surge Life）即平均失效前脈沖數這一重要的TVS可靠性參數以來，國外著名TVS生產廠商對其生產的TVS產品浪涌壽命進行過大量的測試和研究[2]，但均未曾建立TVS浪涌壽命與各種使用因素的關系或模型，而國內對國產TVS浪涌壽命研究尚屬空白。本文旨在建立包括了TVS幾種常見使用因素的浪涌壽命模型。

1 TVS浪涌壽命試驗原理

TVS浪涌壽命試驗是選取一組同一型號同一批次的TVS樣品，對每只樣品采用一定時間間隔的序列脈沖對其進行沖擊直至失效，從而獲得每只樣品失效前脈沖次數和這組樣品平均失效前脈沖數。試驗時兩次脈沖的時間間隔以不存在前次脈沖的熱積累為標準。試驗時采用的脈沖為標準指數波[3]，如圖1所示，可用脈沖電流從10%[IPP]（[IPP]為脈沖峰值電流）上升到90%[IPP]的時間[tr]和脈沖電流衰減到50%[IPP]的時間[tp]來定義。例如[tr]為10 μs，[tp]為1 ms的標準指數波稱為10 μs/1 ms標準指數波或簡稱1 ms標準指數波，這是TVS額定脈沖峰值功率或電流定義、箝位電壓測試和浪涌壽命試驗最常用的波形。

圖1 標準指數波的波形

TVS浪涌壽命試驗電路可采用箝位電壓測試儀實現，其電路原理如圖2所示[4]。圖中G是標準指數脈沖發生器，當開關[S]閉合時，能產生一次標準指數脈沖。

圖2 浪涌壽命試驗電路

2 TVS浪涌壽命模型的建立

2.1 模型理論分析

TVS浪涌壽命最主要的影響因素是試驗脈沖峰值電流相對TVS額定脈沖峰值[IPP]的比值（以下簡稱脈沖峰值電流倍數）和試驗時環境溫度。試驗脈沖峰值電流倍數越大，TVS浪涌壽命值越小；試驗時環境溫度越高TVS浪涌壽命值也越小。通常，Arrehenius模型[5]能較好地反應元器件壽命與溫度應力和電應力的關系。該模型常用于建立失效壽命與應力的關系，但也可用于建立交變疲勞壽命次數與應力的關系。該模型于19世紀由Arrehenius從化學實驗的經驗總結出來：反應速率與激活能的指數成反比，與溫度倒數的指數成線性關系，用數學公式可表示為：

[dMdt=Ae-E（kT）] （1）

式中：[M]為元器件某特征值或退化量；[dMdt]表示溫度在[T]（熱力學溫度）時的反應速率；[A]為系數；[E]為反應的激活能，單位為eV；[k]為玻爾茲曼常數，[k=]0.861 7×10-4 eV/K。

如果除考慮激活能，還考慮溫度以外的應力[S，]則該模型可表示為：

[dMdt=Ae-E（kT）?Sc] （2）

式中[c]為待定系數。

在本研究中[t]指浪涌次數[N，][S]為試驗時脈沖峰值電流倍數，用[I]表示，因此將式（2）變為：

[dMdN=Ae-E（kT）?Ic] （3）

對式（3）兩邊積分，變形可得：

[lnN=lnΔMA+EkT-clnI] （4）

令[a=lnΔMA]，[b=Ek]，則式（4）變為：

[lnN=a+bT-clnI] （5）

即：

[N=exp（a+bT）?I-c] （6）

式（5）或式（6）反映了TVS浪涌壽命與脈沖峰值電流倍數、溫度的關系，其中[a，][b，][c]三個待定系數可通過試驗數據代入公式中計算得到。從式（5）可以看出如果試驗時脈沖峰值電流倍數不變，浪涌壽命的對數與絕對溫度的倒數成線性關系，在半對數坐標紙上為一條直線，直線斜率即為[b]值。如果試驗時溫度不變，浪涌壽命的對數與脈沖峰值電流的對數成線性關系，在對數坐標紙上為一條直線，直線斜率即為[-c]值。

2.2 實驗方案設計和試驗結果

為確定式（5）或式（6）中[a，][b，][c]三個待定系數的值，以及驗證TVS浪涌壽命與式（5）或式（6）的符合性，需具有TVS在不同環境溫度、不同峰值電流倍數下的浪涌壽命數據。由于常溫下脈沖峰值電流倍數為1時，TVS能承受的脈沖次數可達上萬次[6]，因此采取加速浪涌壽命試驗獲得所需數據。選取脈沖峰值電流倍數和試驗環境溫度作為加速因子。加速因子大小的選擇須以不改變失效機理為前提[7]。對經受多次浪涌沖擊后耗損失效的TVS器件進行了失效分析，發現失效模式為短路，失效部位通常在結表面邊緣，失效機理可能是結邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉逐漸分離，降低了結邊緣的散熱能力，一段時間以后結溫持續增大，導致器件過熱燒毀。通常，TVS實際脈沖峰值功率小于額定脈沖峰值功率，其失效屬耗損失效。因此，加速因子不能過大使實際脈沖峰值功率超出額定脈沖峰值功率。

試驗樣品選擇額定脈沖峰值功率為1 500 W（目前國產可靠性較高TVS通常采用金屬氣密封裝或玻璃封裝，額定脈沖峰值功率為1 500 W），質量等級分別為特軍級、超特軍級和普軍級，型號分別為SY5658、SY5646A和SY5665A的金屬氣密封裝國產TVS產品。額定脈沖峰值功率相同的TVS系列產品在相同溫度和相同脈沖下實際峰值功率相同。表1是額定脈沖峰值功率為1 500 W的TVS在25 ℃，40 ℃，60 ℃三個不同溫度點下，施加脈沖峰值電流不同的1 ms標準指數脈沖時脈沖峰值功率的值（脈沖峰值電流與相應箝位電壓的乘積）。

表1 峰值功率為1 500 W的TVS在三個溫度下

加不同脈沖峰值電流時的實際脈沖峰值功率 W

[脈沖峰值電流

[IPP] /A＼&環境溫度 /℃＼&25＼&40＼&60＼&1＼&1 045＼&1 200＼&1 400＼&1.25＼&1 322＼&1 470＼&--＼&1.4＼&1 484＼&--＼&--＼&]

由表（1）可確定試驗時可施加的1 ms標準指數波的脈沖峰值電流最大值和相應的最高溫度。由此，制定了TVS加速浪涌壽命試驗方案，見表2。

2.3 試驗數據處理和基本模型的建立

由式（5）的分析可知，利用SY5658在[I=1]時三組試驗數據擬合可得到一條直線，直線斜率即為[b]值，在縱軸上的截距為[a]值。圖3（a）是用數學軟件Matlab擬合的結果，同時可得[a=]-11.11，[b=]6 088，[E=b×k=6 088]×0.861 7×10-4=0.58。利用SY5658在[I=]1.25時兩組試驗數據可得到圖3（a）上另一條直線。由圖3（a）可見這兩條直線近似平行，說明[a、][b]的取值與TVS浪涌壽命的符合性較好。

由式（5）的分析還可知，利用SY5658在環境溫度為25 ℃（即[T=]298 K）時三組試驗數據擬合可得到一條直線，直線的斜率即為[-c]值。圖3（b）是用Matlab擬合的結果，同時可得[c=]16.13。利用SY5658在40 ℃（即[T=]313 K）時兩組試驗數據可得到圖3（b）上另一條直線。由圖3（b）可見這兩條直線近似平行，說明[c]的取值與TVS浪涌壽命的符合性較好。

將[a，][b，][c]值代入式（6）可得TVS浪涌壽命基本模型為：

[N=exp-11.11+6 088T?I-16.13] （7）

圖3 Matlab仿真圖

2.4 模型的調整

TVS實際應用中，TVS質量等級、使用環境、承受的瞬態脈沖的波形、持續時間等可能與試驗情況不同，TVS浪涌壽命也會有所變化。可通過在基本模型的基礎上乘一系列的調整系數的辦法對模型進行完善，使模型適合實際應用。

2.4.1 脈沖波形調整系數

TVS在不同的時間內所能承受的能量不同，額定脈沖峰值電流（定義波形為標準指數波）也不同。對于TVS實際應用中承受波形為標準指數波，但持續時間[tp]不為1 ms的情形，帶入模型計算的脈沖峰值電流倍數應是TVS實際承受的脈沖峰值電流與脈沖時間為[tp]時額定脈沖峰值電流的比值。而TVS產品手冊通常只給出脈沖時間為1 ms時額定脈沖峰值電流，可先計算TVS實際承受的脈沖峰值電流與脈沖時間為1 ms時額定脈沖峰值電流的比值[I，]再計算脈沖時間為1 ms時額定脈沖峰值電流與脈沖時間為[tp]時額定峰值電流的比值[d1。]這樣可得TVS實際承受的脈沖峰值電流與脈沖時間為[tp]時額定脈沖峰值電流的比值即為[d1?I。]其中[d1]的計算方法可由TVS脈沖峰值功率與持續時間的關系推算出來，該關系如圖4所示[8]，由該關系可得持續時間為1 ms時額定脈沖峰值功率與持續時間為[tp]時額定脈沖峰值功率的比值為[0.423-lg tp]，其中[tp]單位為μs。這同時也是持續時間為1 ms時額定脈沖峰值電流與持續時間為[tp]時額定脈沖峰值電流的比值（因為TVS箝位電壓隨電流變化極微小），因此[d1=0.423-lg tp。]

圖4 TVS脈沖峰值功率與脈沖持續時間的關系

對于脈沖時間為[tp]的非標準指數脈沖波，首先需轉換成與其持續時間相等的等能量（TVS承受的脈沖能量的計算方法為脈沖電流對時間積分再乘以箝位電壓）的標準指數波，計算轉化后標準指數波脈沖峰值電流與原脈沖峰值電流的比值[d2，]再計算原脈沖峰值電流與脈沖時間為[tp]時額定峰值電流的比值[d1?I。]這樣可得轉化后標準脈沖峰值電流與脈沖時間為[tp]時額定脈沖峰值電流的比值為[d1?d2?I。]因此，可將式（6）調整為：

[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]稱為脈沖波形調整系數。其中常見脈沖波形及按脈沖能量相等的原則轉化后脈沖峰值電流與原脈沖峰值的比值[d2]如圖5所示。

圖5 各種波形及轉化系數

2.4.2 質量調整系數和環境調整系數

TVS質量等級不同、使用環境不同的情況，可用質量調整系數[KQ]和環境調整系數[KE]進行調整，因此，TVS浪涌壽命模型最終可建立為：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根據表2中試驗結果可知TVS質量等級為特軍級時[KQ]取1.73，為特軍級時[KQ]取1，為普軍級時[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足夠試驗數據，可參照美軍標MIL?HDBK?217F中TVS質量和環境調整系數取倒數（因為美軍標給出的是失效率模型，而本文給出的是壽命模型），這是在未獲得試驗數據或難以獲得試驗數據的情況下最為準確的估計方法。

3 結 語

TVS浪涌壽命模型給出了不同質量等級國產TVS在不同波形、不同使用環境下的浪涌壽命。該模型適用于TVS承受的實際脈沖峰值功率和穩態功率小于額定脈沖峰值功率和穩態功率。如果超出這一使用條件，TVS浪涌壽命將很小（100次以下）。試驗證明該模型比較客觀地反映了TVS浪涌壽命規律，從而可為TVS正確選用提供依據。根據該模型還可推知，在使用環境溫度不能改變的情況下，選用合適的TVS使之所受電應力得到一定程度降額可大大提高其浪涌壽命。需要說明的是，由于受到研究期限、資金、試驗條件等方面的限制，所建模型還不夠完善，模型中的系數也還有待于進一步驗證和修正。

參考文獻

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[8] SMITH A D， LIGHTSEY J R， HUSON R W. Method for exa? mining failed （shorted） transient voltage suppressors to determine the destructive pulse characteristics [C]// Proceedings of IEEE 1989 National Symposium on Electromagnetic Compatibi?lity. Denver， CO： IEEE， 1989： 108?112.

[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]稱為脈沖波形調整系數。其中常見脈沖波形及按脈沖能量相等的原則轉化后脈沖峰值電流與原脈沖峰值的比值[d2]如圖5所示。

圖5 各種波形及轉化系數

2.4.2 質量調整系數和環境調整系數

TVS質量等級不同、使用環境不同的情況，可用質量調整系數[KQ]和環境調整系數[KE]進行調整，因此，TVS浪涌壽命模型最終可建立為：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根據表2中試驗結果可知TVS質量等級為特軍級時[KQ]取1.73，為特軍級時[KQ]取1，為普軍級時[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足夠試驗數據，可參照美軍標MIL?HDBK?217F中TVS質量和環境調整系數取倒數（因為美軍標給出的是失效率模型，而本文給出的是壽命模型），這是在未獲得試驗數據或難以獲得試驗數據的情況下最為準確的估計方法。

3 結 語

TVS浪涌壽命模型給出了不同質量等級國產TVS在不同波形、不同使用環境下的浪涌壽命。該模型適用于TVS承受的實際脈沖峰值功率和穩態功率小于額定脈沖峰值功率和穩態功率。如果超出這一使用條件，TVS浪涌壽命將很小（100次以下）。試驗證明該模型比較客觀地反映了TVS浪涌壽命規律，從而可為TVS正確選用提供依據。根據該模型還可推知，在使用環境溫度不能改變的情況下，選用合適的TVS使之所受電應力得到一定程度降額可大大提高其浪涌壽命。需要說明的是，由于受到研究期限、資金、試驗條件等方面的限制，所建模型還不夠完善，模型中的系數也還有待于進一步驗證和修正。

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[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]稱為脈沖波形調整系數。其中常見脈沖波形及按脈沖能量相等的原則轉化后脈沖峰值電流與原脈沖峰值的比值[d2]如圖5所示。

圖5 各種波形及轉化系數

2.4.2 質量調整系數和環境調整系數

TVS質量等級不同、使用環境不同的情況，可用質量調整系數[KQ]和環境調整系數[KE]進行調整，因此，TVS浪涌壽命模型最終可建立為：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根據表2中試驗結果可知TVS質量等級為特軍級時[KQ]取1.73，為特軍級時[KQ]取1，為普軍級時[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足夠試驗數據，可參照美軍標MIL?HDBK?217F中TVS質量和環境調整系數取倒數（因為美軍標給出的是失效率模型，而本文給出的是壽命模型），這是在未獲得試驗數據或難以獲得試驗數據的情況下最為準確的估計方法。

3 結 語

TVS浪涌壽命模型給出了不同質量等級國產TVS在不同波形、不同使用環境下的浪涌壽命。該模型適用于TVS承受的實際脈沖峰值功率和穩態功率小于額定脈沖峰值功率和穩態功率。如果超出這一使用條件，TVS浪涌壽命將很小（100次以下）。試驗證明該模型比較客觀地反映了TVS浪涌壽命規律，從而可為TVS正確選用提供依據。根據該模型還可推知，在使用環境溫度不能改變的情況下，選用合適的TVS使之所受電應力得到一定程度降額可大大提高其浪涌壽命。需要說明的是，由于受到研究期限、資金、試驗條件等方面的限制，所建模型還不夠完善，模型中的系數也還有待于進一步驗證和修正。

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