GB T 18802.321-2007 低压电涌保护器元件 第321部分：雪崩击穿二极管（ABD）规范.pdf

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1、ICS 2908099K 49 瘩雪中华人民共和国国家标准GBT 1 880232 1-2007IEC 6 1 64332 1：200 1低压电涌保护器元件第32 1部分：雪崩击穿二极管(ABD)规范Components for lowvoltage surge protective devicesPart 32 1：Specifications for avalanche breakdown diode(ABD)(IEC 61643321：2001，IDT)!：!：!垄鱼 !：!：!塞堕中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局省士中国国家标准化管理委员会夏仲GBT 18802321-2007I

2、EC 61643321：2001前言1范围2规范性引用文件3术语、定义和符号4雪崩击穿二极管的基本结构和说明5工作条件6标准试验方法和程序7故障和失效模式图1图2图3图4图5图6图7图8目 次单向雪崩击穿二极管的结构、偏置状态和弘j特性钳位电压Vj、峰值脉冲电流IPP和额定正向电涌电流J。的测试电路最大工作电压Vw“，待机电流J。和最高工作电压有效值yWM。的测试电路(雪崩)击穿电压VBR的测试电路正向电涌电压VFs的测试电路-雪崩击穿二极管的降额曲线过冲电压、响应时间、过冲持续时间图示曲线脉冲电流波形；3559GBT 18802321-2007IEC 61643321：2001刖 置GBT

3、18802(低压电涌保护器(SPD)系列标准的结构和名称预计如下：低压配电系统用电涌保护器(SPD)第l部分：性能要求和试验方法(GB 1880212002IEC 616431：1998)；低压配电系统用电涌保护器(SPD) 第12部分：选择和使用导则；低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络用低压电涌保护器(sPD)性能要求和试验方法(GBT 1880221 2004IEC 61643 21：2000)；低压电涌保护器 第22部分：电信和信号网络用低压电涌保护器(sPD)选择和使用导则；低压电涌保护器元件第3ll部分：气体放电管(GDT)规范；低压电涌保护器元件第321部分：雪崩击穿二极管(

4、ABD)规范(GBT 18802321 2007IEC 61643 321：2001)；低压电涌保护器元件第331部分：压敏电阻(MOV)规范；低压电涌保护器元件第341部分：电涌抑制晶闸管(TSS)规范。本部分等同采用IEC 61643321：2001(低压电涌保护器器件雪崩击穿二极管规范。在技术内容和文本结构上与IEC 61643321：2001相同。IEC 61643321：2001规范性引用文件中所列标准虽然有些部分已被转化为我国国家标准，但转化程度复杂，不便引用，所以本部分仍使用了IEC标准。为方便使用，本部分做了以下编辑性修改：a)用小数点代替作为小数点的逗号，；b)删除国际标准的

5、前言。本部分由中国电器工业协会提出。本部分由全国避雷器标准化技术委员会(SACTC 81)归口。本部分起草单位：西安电瓷研究所、西安电力电子研究所。本部分主要起草人：桑建平，秦贤满，祝嘉喜，邵晓萍。GBT 18802321-2007IEC 61643321：2001低压电涌保护器元件第321部分：雪崩击穿二极管(ABD)规范1范围本部分适用于电涌保护器元件(简称SPDC)的雪崩击穿二极管(ABD)。设计和制造的电涌保护器与低压配电系统、输电系统、通信网络系统相连。本部分中的试验规范适用于单个两端ABD。可将多个ABD封装在一个管壳内作为单个二极管部件。这个部件中的每个二极管都可按本部分进行试验

6、。本部分包含了一系列用于ABD电性能的测试方法。本部分的测试方法用于验证或测量特定封装设计的ABD的额定值和特性值。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。IEC 60068环境试验(所有部分)IEC 60364建筑物电气装置(所有部分)IEC 60364 3：1993建筑物电气装置第3部分：总体特性评估IEC 6072l环境条件分类(所有部分)IEC 60747 2

7、：2000半导体器件分立器件和集成电路第2部分：整流二极管IEC 60749：1996半导体器件机械和气候试验方法3术语、定义和符号下列术语、定义和文字符号适用于本部分：注：本章定义适用于SPDC的ABE)它具有对称的和不对称的电压 电流(V-I)特性。本章定义针对单向器件而言(见图1)，如果考虑双向ABD，第三象限的有关定义则适用于在弘f特性曲线的两个方向。31雪崩击穿二极管avalanche breakdown diode；ABD用于抑制瞬态电压和分流电涌电流的器件。也可以是由多个器件封装而成的具有一个公共端子的两端二极管。32钳位电压clamping voltageyc施加规定波形的峰值

8、脉冲电流Irr时，ABD两端测得的峰值电压。注：由于发热、反作用力或其他影响，峰值电压和峰值脉冲电流不必在时间上位置重合。也用k表示。33额定峰值脉冲电流rated peak impulse currentIppM可施加的不引起二极管失效的峰值脉冲电流垴的额定最大值。注：除另有规定外用于二极管特性的冲击波形为101 000zs。】GBT 18802321-2007IEC 61643-321：200134最高工作电压maximum working voltageVwM最高直流电压maximum de voltage可连续施加而不引起ABD劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压，

9、用最高工作电压有效值VWM表示。注：也用Vnw(额定最大值)表示，也称为额定截止电压。35待机电流stand-by currentJD在规定温度和最高工作电压条件下，流过ABD的最大电流。注：对于反向漏电流，也用h表示。36(雪崩)击穿电压(avalance)breakdown voltageV职弘I特性血线上，在规定的脉冲直流电流It(或JBR)或接近发生雪崩的电流条件下，ABD两端测得的电压。37电容capacitancecj在规定频率和偏压条件下，测得的ABD两端的电容。注：也用c表示。38额定峰值脉冲功率rated peak impulse power dissipationPP啪(额

10、定)峰值脉冲功率是额定峰值脉冲电流JrPM和钳位电压Vj的乘积。PPPMJPPMVc注：也用Pr表示。39额定正向电涌电流rated forward surge currentJmI不使器件失效的83 ms或10 ms正弦半波的最大峰值电流。(本定义仅适用于单向ABD)310正向电涌电压forward surge voltagey舟在规定的正向电涌电流k条件下，ABD两端测得的峰值电压。(本定义仅适用于单向ABD)注：也用yr表示。311击穿电压温度系数temperature coefficient of breakdown voltage口击穿电压VBR变化量与温度变化量之比。注：表示为毫伏

11、每开尔文或百分率每开尔文(mVK或K)。2GBT 18802321-2007IEC 61643-321：2001312温度降额temperature derating超过规定的基准温度时，峰值脉冲电流或峰值脉冲功率的减少数额。注：用电流或功率的百分比表示。313热阻thermal resistanceR“、R、Rm每单位输入功率引起的结温对环境、管壳或引线端子的温升。用开尔文每瓦(KW)表示。314瞬态热阻抗transient thermal impedancezhzhIc、zhm在一个时间区间终点的等效结温与规定基准点或区域(环境、管壳或引线)温度之差，除以引起这个温差的在该时间区间起点按阶

12、跃函数的变化的耗散功率。注：热阻抗用开尔文每瓦(KW)表示。315额定平均功率rated average power dissipationPMv在规定的电流和温度条件下，器件承受重复脉冲而不致失效的平均耗散功率。316过冲峰值电压peak overshoot voltagey给定视在波前时间小于或等于lo ps的电流所引起高于器件钳位电压v：的电压。注：对于101 000 ps的电流渡，这个值可表示为钳位电压Vt的百分数。317脉冲直流试验电流pulsed dctest currentIT测量击穿电压v。的试验电流。该电流值由制造商确定，通常以脉冲持续时间小于40 ms的毫安级电流给出。注：

13、也用k表示。318峰值脉冲电流peak impulse currentIpp用于测定钳位电压v!而流过ABD的具有规定波形的峰值脉冲电流。4雪崩击穿二极管的基本结构和说明雪崩击穿二极管(ABD)的基本形式是由一个阳极区(P)和一个阴极区(N)组成的单一半导体PN结(见图1 a)。在直流应用中，ABD以反向偏置的方法使用，即阴极(N)侧为正电位(见图l b)。当施加电压V。高于PN结的(雪崩)击穿电压VBR时，ABD开始导通大于待机电流J。的电流。当出现瞬态电压冲击时，ABD将这个电压限制到预定值。ABD的主要用途是抑制瞬态电压和分流电涌电流。由于封装，ABD的特性可能不同，这里只列出设计用于电

14、涌保护器中需要选择的那些二极管参数。特殊用途时，对其他参数的选择可能也是重要的，但在此不列出。ABD可以是多个二极管封装到一个管壳里的结构。为获得要求的SPDC的特性或额定值，也可采用包含多个ABD芯片串联或并联的复合二极管结构。这种结构的ABD仍被当作单个的SPDC。封装3GBT 18802321-2007IEC 61643321 12001在一个管壳里多个(PN)结也能作为多个独立的ABD用于多路保护中，因此其中的每个二极管都应按本部分进行试验。当反向偏置时，ABD有两种工作模式：待机(高阻抗)或钳制(相对的低阻抗)，(见图1 c)的第三象限)。在待机状态下，流过ABD的电流叫待机电流。该

15、电流的大小随结温(或环境温度)而变化。在ABD的电压一电流(弘J)特性中，由高阻抗(待机)向低阻抗(钳位)转变是雪崩击穿的开始。这种导通状态下，二极管会流过一个很大的瞬态电流，并保持一个高于半导体结击穿电压而又相对较低的钳位电压。图1是单向ABD。ABD可以是单向的，或者是双向的。双向ABD在第一象限和第三象限极性相反，特性相似。图lc)中，第一象限的弘J曲线是单向ABD正向偏置状态(半导体结P侧施加正向电压)。这种状态下，单向ABD与正向PN结二极管有着相似的特性。正向时钳位电压较低，瞬态电流很大。然而，在规定波形的瞬态大电流条件下，正向电压会很高。这个电压依赖于结面积和基区半导体材料的电阻

16、。击穿电压随结温或环境温度呈线性变化，故用击穿电压温度系数来描述该电压。通常在25C测量钳位电压，可用半导体击穿电压温度系数来确定其他环境温度时的击穿电压。互工二一a)结构 b)偏置状态斥SM 7一一片s踞R VwM，T咋s卢甘5 二，”|概第三象限雪崩参数：yWM最高工作电压Jo待机电流；K钳位电压；y啦击穿电压；b峰值脉冲电流c)V-1特性正向参数：Vvs正向电涌电压；jFs正向电涌电流；jrsM额定正向电涌电流。jPP”额定峰值脉冲电流；It脉冲直流试验电流。注：对于双向ABD，其第三象限的v-J特性与第一象限的相同。图1 单向雪崩击穿二极管的结构、偏置状态和V-!特性5工作条件GBT

17、1 8802321-2007IEC 61643-321：2001正常工作条件如下：大气压力：86 kPa106 kPa(IEC 60749和IEC 60721)。环境温度：户外：-40+85 户内：-20+70(IEC 60364)。太阳或其他辐射(IEC 603643)。正常温度条件下的相对湿度(IEC 60068)。户内相对湿度不大于90，或按其他规定。若SPDC暴露在非正常工作条件下，在设计和使用ABD时，需要特殊考虑并宜提醒制造商注意。由制造商提出其他需考虑的，如：二极管最高连续(工作)电压、峰值冲击功率或(温度)电流降额、峰值脉冲电流额定值、瞬态重复额定值、抗溶性、可焊性和可燃性。6

18、标准试验方法和程序61 标准型式试验准则特性参数是ABD固有而可测量的参数。额定值参数是确定ABD的极限能力或极限条件的量值。63至619的测试给电涌保护器(sPD)选择器件提供了ABD规定参数的标准测试方法。这些参数会因器件不同而改变，故有必要对SPD选择的所有器件进行测试。双向ABD的正向电压和反向电压均应测试。62测试条件除另有规定外，63至619要求在器件上进行测试的环境条件应为：温度：255。相对湿度：小于85。大气压力：86 kPa106 kPa(IEC 60749)。注：由于这些测试中要用到电压和能量，所有测试宜考虑其危险性操作时宜足够小心。63钳位电压Vc(见图2)电路组成：P

19、S_充电电源5R1充电电阻s1充电开关；C调渡脉冲电容器；S2脉冲放电开关；L调波脉冲电感器；CRO观测电流和电压的示波器；R2词波冲击及限流电阻；R3调波冲击电阻；R4感应电流电阻(同轴)。可选用；电流互感器或适当变比的探头；DuT受试器件(ABD)；v峰值电压表。注意：给出的电路仅仅是一般说明，应按高频大电流测量技术的要求进行测试，如；采用四点开尔文式接点、差分式示波器、缩短引线等。图2钳位电压yc、峰值脉冲电流k和额定正向电涌电流Jm。的测试电路5GBT 18802321-2007IEC 61643-321：2001631 本测试的目的是在规定波形和幅值的脉冲电流J。条件下，测定ABD的

20、电压保护能力。除另有规定外，器件应在两种电压极性下测试。632为验证伏安特性曲线，应测量两个电流值的钳位电压。钳位电压峰值和试验电流峰值不必在时间位置上一致。无特别要求时，应采用101 000 ps(或820 ps)波形的jPP和021rr的试验电流。64额定峰值脉冲电流J一(见图2)本测试的目的是验证符合ABD的设计规定的不使器件失效的冲击电流值。应采用101 000 ps(或820 ps)的电流波形，验证该器件承受多次峰值脉冲电流额定值。冲击电流应每45 s施加一次。对于对称性器件，每种极性应以施加10个连续脉冲进行试验。失效判据应按第7章的规定。65最高工作电压y。和最高工作电压有效值y

21、wM一(见图3)本测试的目的是验证在规定的温度范围内，可施加在ABD两端而不引起失效的最高电压。该电压是由制造商规定的ABD最大待机电流来确定的。额定工作电压有效值只适用于对称双向ABD。电路组成：Ps一可调直流电压源(如果是交流试验，则为交流电压源)；A直流微安表(如果是交流试验，使用交流微安表)；DuT受试单向器件；DUTl受试双向器件；V数字电压表(如果是交流试验，则用示波器)。图3最大工作电压y。”，待机电流j。和最高工作电压有效值y。的测试电路66待机电流b(见图3)本试验的目的是验证在制造商规定的温度条件下，ABD的待机电流水平。最高工作电压V。应由易调的直流电源产生并施加在器件两

22、端。待机电流应在施加电压至少10 ms后即导通稳定后测量。67 (雪崩)击穿电压yn(见图4)671 应在规定的脉冲直流电流和温度条件下对ABD进行测试。施加试验电流k或h的时间应小于400ms。672 VBR按规定试验电流时的最小电压的范围给出。无特别要求时，推荐试验电流JBR或J。为1 mA。低电压器件或大功率器件可规定较大的试验电流。电路组成：P脉冲恒流源；DuTl受试双向器件DUT受试单向器件V数字电压表。6b uDU。z 塞 囤4 (雪崩)击穿电压y。的测试电路GBT 18802321-2007IEC 61643-321：200168电客cj本试验的目的是测定ABD两端的电容。应在规

23、定的正弦频率和偏压条件下测量ABD规定两端的电容。对于多端子，每对端子的电容应依次测量。应排除所有非试验端子的电容对测量的影响。无特别要求时，建议采用频率为l MH：，有效值等于或小于01 V，直流偏压为0 V的信号。69额定峰值脉冲功率PP。本试验的目的是在规定的试验条件下验证ABD的功率额定值。该额定值是制造商对每种产品给出的。该参数需要施加额定峰值脉冲电流I，r”和测量钳位电压Vc。峰值脉冲功率定义为峰值脉冲电流和钳位电压之积。应试验足够数量的器件以及按63和64测量电压一电流特性，以得到期望而在可信范围内的统计性分布。610额定正向电涌电流I。(见图1 c)本试验的目的是在符合统计表示

24、的可靠度水平内，验证ABD承受10 ms(83 ms)单次正弦半波最大峰值电流。将单向器件反向，按图2进行试验。电涌电流施加在ABD的正向上。(见图1 c)v_J特性曲线第1象限)611 正向电涌电压y。(见图5)ABD正向流过10 ms(或83 ms)单次正弦半波最大峰值电流j，sM时测得的正向峰值电压。对于单向ABD，正向电涌电流k是二极管正向流过的电流。b u J z (；电路组成：P脉冲恒流源；v数字电压表；DUT受试器件；A安培表。图5正向电涌电压y。的测试电路612击穿电压温度系数击穿电压温度系数是指击穿电压yen变化量与温度变化量之比。它随器件的不同而改变。但ABD的这个特性与功

25、率额定值无关。当超过温度范围工作时，应考虑该参数。超过温度范围时，击穿电压和最大钳位电压会发生变化，该变化可表示为电压温度系数。若击穿电压超过5 V，该参数总为正值。一坠骂篆兰产堕瓦未生丽式中：av豫击穿电压温度系数，单位为百分率每开尔文(K)；Ti实际环境温度(253)，单位为开尔文(K)；T*日测量时的最高温度，单位为开尔文(K)。613温度降额(见图6)温度降额是描述高于规定温度时，峰值脉冲功率或峰值脉冲电流随温度的升高而变化。功率降额适用于峰值脉冲功率和稳态(平均)功率两种情况。试验方法见IEC 607472：2000。GBT 18802321-2007IEC 61643-321：20

26、01614热阻足v或Rmzc或RthIL热阻是热流从半导体结向管壳，引线或环境空气流动的阻力的量度。热流以辐射、自然或强迫对流，或通过材料传导的方式发生。每种器件的热特性由制造商提供。本测试的目的是在恒定的电压和电流条件下，测量器件结每单位功率的结管壳或结一环境的温升。a)测试结功率时，要求保持结温恒定，用事先校准的热敏电气参数，如规定的正向电流的正向电压监视，当器件管壳或环境温度接规定的一定量变化时，测量结功率。b) 当规定的器件管壳或环境温度恒定时，结功率以一定量发生明显变化时测量结温。(用事先校准的热敏电参数，正向电压表示)615 瞬态热阻抗z。或Z“c或zL瞬态热阻抗是在规定的脉冲功率

27、持续时间内测定ABD的承受脉冲功率的能力。目的是测量器件的结和基准点(如ABD管壳或环境)之间的瞬态热阻抗。试验方法见IEC 60747 2：2000的223。 险太 、 辟 oh ，、 、 、 、 、 7。(岛M)To(PM()。1说明：T。降额的起始温度；T1功率或电流为零，或降至最小值的温度。洼：额定峰值脉冲功率P，州或额定峰值脉冲电流I即w以To时额定值的百分比()表示。图6雪崩击穿二极管的降额曲线616额定平均功率P。为ABD有可靠的长寿命而限制温度，制造商应提供额定平均功率参数。该参数与两个条件有关：a)瞬时通过材料(结)的平均电流，通常以占空比来说明；b) 制造商推荐的器件到环境

28、、引线和(或)安装的散热器间的热阻值。617过冲峰值电压y。(见围7)过冲峰值电压是峰值电压u与ABD钳位电压Vj之差，如图7所示。试验条件和电路与钳位电压试验相同(见63和图2)。注：为确保准确测量受试器件的过冲峰值电压，所有与设备的连线和受试器件的引线都要尽可能的短。过冲峰值电压值随冲击的波前时间、导线以及ABD的引线长度而变化，电路阻抗不匹配引起紧接过冲电压后的震荡会影响过冲峰值电压值。618过冲持续时间(见图7)过冲持续时间是过冲电压V。渐变到钳位电压yc的时间t。一t。)，试验条件和电路与钳位电压试验的相同(见63和图2)。619响应时间(见图7)响应时间是ABD响应峰值脉冲电流j，

29、波前时间的能力。是从时间零点t。至峰值电压tt的时间，见图7，脉冲电流波形见图8。试验条件和电路与钳位电压试验的相同(见63和图2)。8舳蚰oGBT 18802321-2007IEC 61643-321：2001自 七说明：vc规定电流和波形时器件的钳位电压；Vos过冲峰值电压(KVc)；耙器件电压达到钳位电压vt时的时间；t。器件电压达到峰值y。时的时间；t2器件电压降至50yos时的时间；t1一to响应时间；t3一t1过冲持续时间；V2(VlVc)2。图7过冲电压、响应时间、过冲持续时间图示曲线谚、一h。 一刁 f，u5，2说明：t-视在波前时间。从零值到峰值的时间。“视在半峰值时间。例如

30、：对于101 000 SzS的电流波形10 ps一1(视在渡前时间)1 000 pst2(脉冲半峰值时间)图8脉冲电流波形7故障和失效模式无特别要求时，建议采用下列判据。应在器件温度恢复到255后，再进行判定故障和失效模91lIGBT 18802321-2007IEC 61643-321：2001式的试验。71劣化故障模式此模式，ABD的待机电流值大于规定的最大值。72短路失效模式此模式，ABD相当于小于1 n的电阻在直流01 V时永久性的短路。(当器件承受大于额定值的峰值脉冲电流而使钳位电压超过最大值时，或当器件功率超过了额定平均值或数倍峰值冲击功率时，都可能发生永久性短路)。73开路失效模

31、式此模式，ABD呈现开路状态，其击穿电压vrBR比试验前施加试验电流Jea或，t时电压值(见6，72)高150。(如果器件短路期间仍维持有电流，或超过器件能力范围的异常大电流或瞬时脉冲电流，都有可能引起器件的开路失效)。74“安全的失效”作用上述任何一种器件的失效模式，可用“安全的失效”来描述。一些用户考虑最期望的器件失效模式是保持其保护功能。例如：短路失效模式的“安全的失效”。但其他用户要求特定器件宜在规定的高钳位失效模式中失效，以达到期望的系统性能。因此，在短路模式中的失效，许多用户考虑的“安全的失效”，事实上可能与其他用户期望的“安全”模式相反。所以，推荐采用72和73定义的失效模式之一来描述失效。