浅谈陶瓷PTC加热器耐压击穿炸片及其预防措施2

介绍一种电子器件的工作原理

浅谈陶瓷PTC加热器耐压击穿的原理及其预防措施

摘要:介绍了陶瓷PTC加热器引起耐压击穿的原因、分析了陶瓷PTC加热器引起耐压击穿后带来的危害，最后给出几点预防的措施。

关键词：陶瓷PTC加热器；耐压击穿；

1 引言

PTC是一种半导体热敏陶瓷，是正温度系数热敏陶瓷的简称，属用途极广的新型材料，应用PTC陶瓷电阻温度的非线性 , 可开发应用于各个领域，如陶瓷PTC波纹状加热器在空调器上的使用也越来越广泛，它的一大突出特点在于安全性能上，即遇风机故障停转时，PTC加热器因得不到充分散热，其功率会自动急剧下降，此时加热器的表面温度维持在居里温度左右（一般在250℃上下），从而不致产生如电热管类加热器的表面“发红”现象。

2 PTC效应

对于BaTiO3半导瓷的PTC效应，有多种理论模型予以解释，较为成熟并为多数研究者承认的有海望Heywang提出的表面势垒模型和丹尼尔斯Daniels等人提出的钡缺位模型。

海望模型把产生PTC效应的原因归结为在多晶BaTiO3半导体材料的晶粒边界，存在一个由受主表面态引起的势垒层，材料的电阻率是由晶粒体电阻和晶粒表面态势垒两部分组成，随着温度的上升，材料的电阻率将出现几个数量级的变化。

陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，具有较低的电阻及半导特性。通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的：在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代，因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。对于PTC热敏电阻效应，也就是电阻值阶跃增高的原因，在于材料组织是由许多小的微晶构成的，在晶粒的界面上，

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即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒，阻碍电子越界进入到相邻区域中去，因此而产生高的电阻，这种效应在温度低时被抵消：在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动。而这种效应在高温时，介电常数和极化强度大幅度地降低，导致势垒及电阻大幅度地增高 ，呈现出强烈的PTC效应。

3 陶瓷PTC的阻温特性（R-T特性）

电阻-温度特性通常简称阻温特性，指在规定的电压下，PTC热敏电阻零功率电阻与电阻体温度之间的相互关系。因通电后PTC热敏电阻表面温度及阻值迅速发生急剧变化，一般难以测出通电状态下的阻温特性曲线，阻温特性曲线通常是通过把不通的陶瓷PTC片放里烘箱，通过调温稳定在各温度下测出对应电阻值，最后描出阻温特性曲线。意义？？？

R c 开关电阻

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R p 最大工作电阻

R max 最大电阻

R mim 最小电阻

T c 居里温度

T p 最大工作温度

T max 最大温度

T min 最小温度

表征阻温特性好坏的重要参数是温度系数α，反映的是阻温特性曲线的陡峭程度。温度系数PTC热敏电阻对温度变化的反应就越灵敏，即PTC效应越显著，其相应的PTC热敏电阻的性能也就越好，使用寿命就越长。PTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化 。α = (lgR2-lgR1)/(T2-T1)，一般情况下，T1取Tc+15℃、T2取Tc+25℃来计算温度系数。

4 陶瓷PTC的伏安特性（V-I特性）

电压-电流特性简称伏安特性， 它展示了PTC热敏电阻在加电气负载达到热平衡的情况下，电压与电流的相互依赖关系。当陶瓷PTC热敏电阻接通电源后，电流随电压的升高而迅速增大，当达到居里温度时，电流达到最大，这时PTC热敏电阻进入PTC区域，PTC热敏电阻的伏安特性大致可分为三个区域：

在0-Vk之间的区域称为线性区，此间的电压和电流的关系基本符合欧姆定律，不产生明显的非线性变化， 也称不动作区。

在Vk-Vmax之间的区域称为跃变区，此时由于PTC热敏电阻的自热升温，电阻值产生跃变，电流随着电压的上升而下降，所以此区也称动作区。此区域电流和电压的剩积保持一定，显示出恒定功率特性，因恒定功率特性区域的电压范围广，即使电压变化，PTC热敏电阻仍保持一定的温度。

在VD以上的区域称为击穿区，此时电流随着电压的上升而上升，PTC热敏电阻的阻值呈指数型下降，于是电压越高，电流越大，PTC热敏电阻的温度越高，阻值反而越低，很快就导致PTC热敏电阻的热击穿。

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5 PTC元件击穿的机理

陶瓷PTC元件的击穿主要分为：晶界击穿和热击穿。

5.1 晶界击穿：由于部分晶粒异常长大，或晶粒分布不均匀造成部分晶界所承受的电压过大，而导致的击穿称为晶界击穿。

1963年G.Goodman指出，单晶BaTiO3单半导体掺杂后，不显示PTC效应，

而多晶BaTiO3陶瓷掺杂后，则有PTC效应，此后国际上常把PTC归入晶界现象。

PTC元件中，晶粒属于半导体，晶界属于绝缘层，即势垒，外加电场主要施加于晶界层。晶粒尺寸越小，单位厚度上的晶界数量就越多，分配在每个晶界上的有效电压越小，从而压阻效应减小，耐压提高。若晶粒尺寸越不均匀，就有可能使陶瓷中存在一些较大晶粒或异常晶粒，他们形成了电阻率较低的通道，使耐压降低。在实际生产中适当加入某种添加剂和改善烧结工艺的升温条件，可有效杜绝异常晶粒的产生。实际生产中，通过600V的极间耐压测试能把存在异常晶粒的PTC陶瓷片检验出来。

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PTC BaTiO3陶瓷正常显微结构 PTC BaTiO3陶瓷异常晶粒显微结构

5.2 热击穿：PTC元件的工作点越过阻温特性最高点，进入NTC阶段，导致温度急剧上升而引起的击穿成为热击穿。影响热击穿的因素主要电压效应、工作温度、环境气氛和极间耐压测试方法有关。

PTC的阻温特性曲线如图中的曲线A所示，即随着温度的升高，电阻值呈阶跃式增大，居里点为250℃的PTC在320℃左右（称为拐点温度）达到最大值，约为几百千欧以上。到达拐点后如果温度再上升，则元件R-T特性呈现出NTC的特性，即温度升高，电阻下降。

上述曲线是PTC在零功率的条件下测得的，即测试电流小于2mA（该电流不会引起PTC的升温），是一种静态的R-T特性。实际上，当PTC加载电压后，电

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阻随温度变化的幅度（升阻比）会明显降低，阻温特性曲线会趋于平缓，如图中的曲线B。即所谓电压效应。当电压越高时，PTC的电压效应越明显。所以在500V耐压检测过程对于性能较差的PTC陶瓷片容易造成击穿，测试电压越高，击穿几率就越大。根据目前PTC的行业标准，一般出厂检验的耐压测试都是500V电压进行。

lgR

PTC施加一定的电压后，自身产生的热量与外界的热交换达到一个平衡状态，这种平衡状态的温度称为工作温度。影响工作温度的因数与施加的电压和散热条件有关。以居里点为250℃的陶瓷PTC在一定的通风条件下测试为例，通220V电压时，陶瓷PTC工作温度为258℃，随电压的升高，其工作温度也随之升高，当通500V电压时，陶瓷PTC工作温度为281℃，已接近320℃左右的拐点温度，陶瓷PTC容易出现击穿，不通风条件下陶瓷PTC加热器的散热条件变恶劣，此时较高的耐压测试更容易接近拐点引起击穿故障率的比例增大，所以如额定电压220V、居里点250℃的陶瓷PTC加热器在不通风的条件下500V耐压测试，所以额定电压220V、居里点250℃的PTC陶瓷片选型，常 …… 此处隐藏：2902字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……