通信设备过电压保护半导体避雷器的特性

pwm

陈少川

（计检事业部防护研究部）

摘 要 本文探讨了半导体避雷器应用于通信设备过电压保护的可行性，并对ITU-T建议K.28《电信设备过电压保护用半导体避雷器的特性》加以分析和验证，进而确定制定该产品通信行业标准的方案。

关键词 通信防护 半导体避雷器 特性

1 简介

随着国内外通信技术的迅速发展，通信线路的环境日趋复杂，通信系统中应用的各种各样电子设备也越来越多，其精密程度也日益提高，这就为通信防护出了更高的要求。目前通信线路和通信系统中使用的传统过电压保护设备（即避雷器）存在许多缺点，如遭受冲击时击穿电压过高、工作不稳定、响应速度偏慢等，已很难满足通信防护的要求。

新一代半导体过电压保护器件的出现为上述问题提供了解决方法。该器件具有完整的电压系列，可根据需要进行选择。由该器件组成的避雷器在遭受雷电冲击时，其击穿电压较低，接近线路的正常工作电压，性能相对稳定，响度较快，故能为通信线路和设备提供有效的防护。

在国外的一些发达国家和地区如北美、欧洲和日本等，很多有名的半导体厂商已经投入新一代半导体过电压保护器件（如半导体放电管）的大批量生产。目前，市场上常见的品牌有TI（Texas Instruments）、TECCOR、ST（SGS-Thomson）和新单元（Shindengen）等，部分厂家以生产出相应的避雷器组件。现阶段，半导体避雷器在交换、总配线架、传输、终端等设备上都已经得到应用。国际电信联盟电信标准化部也为此制定了建议《电信设备过电压保护用半导体防电管避雷器的特性》（即ITU-T建议K.28），为该产品的制作、验收和使用提供了依据。

在国内，新型半导体保护起见的开发和产生也已经起步。据了解，目前我国自行开发生产的过电压保护用半导体芯片在性能上接近国际水平，只是在电极加工和封装工艺上尚有缺陷，还未能实现大规模生产。国外产品由于价格较高，在我国通信行业中的推广应用有一定的困难。随着技术的进步、工艺的改进和国产化率的提高，该产品在我国通信防护上的应用将具有广阔的前景。

本文从半导体避雷器的特性及其工作原理的研究入手，探讨半导体避雷器对比传统通信防护器件的优缺点及其应用于通信防护的可能性，用实验的方法分析检验ITU-T建议K.28的技术内容，在此基础上研究制定该产品通信行业标准的方法，以促进该产品在我国通信系统的广泛应用。

2 通信系统对国电压防护线路的要求

通信线路上传送的信号是弱的电信号（除光传输线路外），对设备承受高电压的要求较低，所以基过电压防护能力往往被人们忽视。但由自然或人为因素所引起的各种强电干扰（如雷电、高压输电线路、电气化铁路系统及静电等引起的干扰）时刻威胁着整个通信系统的安全，一旦发生事故，不但在经济上会造成难以预料的损失，还可能祸及操作、维护人员的人身安全。

随着人们对信息的需求日益增加，通信系统变得越来越庞大，覆盖面遍及各个偏僻的角落。从而使通信设备的集成化、数字化程度不断的提高，对各种过电压干扰变得越来越敏感，工作环境越来越严酷。过电压防护线路在保证通信系统的正常运行中起着关键作用。

过电压干扰的浪涌有一定的强度和持续时间，缺少过电压防护的通信设备电路可以在一瞬间遭到浪涌冲击损坏。作为过电压保护用的避雷器必须具备两个基本功能，既限制过电压和释放过电流。通常采用气体放电管、压敏电阻、或半导体电压保护起来实现上述功能。通信系统对过电压线路的功能要求也必须符合下列基本原则：

2. 1 不能影响被保护设备的正常工作

2. 2 不能降低传输质量

不能影响被保护通信系统的正常工作。避雷器不能影响线路信号的正常传输和设备各种功能的操作，这就是要求其使用的保护元器件击穿电压必须高于正常工作的线路和设备上可能出现的最高工作电压和信号电压。特别是通信系统的数据处理设备防护方面，由于数据网络的特点：很低的工作电压、很高的传输频率，所以过电压防护线路的极间电容、漏电流、插入损耗等应尽量减少一是避雷器不影响线路特性阻抗输性能。

2. 3 对击穿电压的要求

击穿电压应尽量低且离散性小。为了保证通信系统不受外来过电压的干扰，避雷器选用的元器件击穿电压尽量降低至接近系统的最高工作电压。其中冲击击穿电压低显得尤为重要，因为类似雷电浪涌的瞬间高能量冲击对通信系统的破坏更加频繁。

2. 4 对耐电流能力的要求

当出现电压浪涌干扰时，应能够充分的是防浪涌电流，以免影响其它设备。

2. 5 对寿命的要求

具有足够的浪涌寿命，即元器件能够承受一定电流等级和数量的浪涌冲击。其间所必须承受的浪涌电流等级应有被保护的系统的工作环境条件来确定。为使避雷器能长时间内正常工作，元器件所承受的冲击次数应足够多。

2. 6 对工作环境的要求

性能稳定，受工作环境影响小。通信系统可能工作在各种恶劣的环境条件下，元器件必须能够适应这些环境条件。

2. 7 对失效模式的要求

完全失效。为了保障人身和设备的安全，当过电压保护元器件承受不住浪涌冲击或有其他原因而引起失效时，应变成短路或低阻状态。

 3 半导体避雷器的工作原理

3. 1 半导体避雷器特性曲线

作为新一代半导体过电压保护器件的典型代表半导体放电管，是利用硅PN结工作原理设计的，其特性曲线见图1，内部结构和动作过程见图2。半导体放电管的动作特性类似或者反之。他的双向可控硅的区别在于前者的促发不是依靠控制电极而是由流经器件的电流调节器件内部电位分布来控制的。

（图1 半导体放电管的特性曲线）

 3. 2 半导体避雷器工作过程分析

半导体放电管有两种击穿状态，即钳位和导通。他可以看成是有两个反向并联的可控硅（即4层PN结器件反并联）组成，利用Si晶体内部的电子和空穴的输运原理进行工作。图2只滑出其中一个。其工作原理如下：

①     当被保护设备或线路处于正常工作状态时（V≤V_BR），PN结J₁和J₃处于正向偏置，J₂处于反向偏置状态，此时流过器件中的电流仅为PN结反向偏置的微弱漏电流（I≤10^-8μA），器件上在特性曲线的OA段，如图2（a）所示。

 

（图2 半导体放电管的动作原理）

 

②     当线路上出现较低的过电压时（V_BR≤V≤V_BO），PN结J2雪崩击穿，器件的工作状态进入了特性的AB段，处于钳位状态并开始释放过电流，如图2（b）所示。流过的器件的过电流经过P₁区时，在该区的等效电阻造成的一定的电位差（压降），由于金属电极的短路作用，掺杂浓度高（即电阻率低）的N₁区的电位与P₁区的外缘相同，该电位差就成为PN结J₁的偏置电压。上述原理可用图3的等效电路来表示，图1种T₁和T₂分别为等效三极管N₁P₁N₂和P₁N₂P₂，R为P₁区的等效电阻，也就是三极管T₁的偏置电阻。此时三极管T₂的作用可以等效为一个普通的二极管和一个反向的瞬态二极管串联。

（图3 半导体放电管等效电路）

③当线路上过电压继续上升达到到器件的V_BO时，P₁区的压降达到门限电压是控制硅N₁P₁N₂P₂被触发导通，N₁区的载流子（电子）在电场的作用下穿过厚度较薄的P₁区直接进入N₂区使得器件的等效电阻迅速下降并吸收大的过电流，从而起到保护作用。此时器件工作特性曲线的CD段，如图2（c）所示。从等效电路上看，过电压上升导致电阻R的压降上升，就使T₁的偏置电压V_be上升，T₁导通，又使T₂得到偏置，从而使整个器件进入导通状态。

④当外来过电压消失时，回路电流逐渐减小，一直降到保持电流以下时，器件自动地退出导通状态，再次转入到正常工作的截止状态。

由上述动作过程的分析可以得知，半导体放电管在较高能量的过电压浪涌冲击时，能够使自身等效电阻降低并有效的释放过电流，既能使被保护设备得到有效的保护，又能使自身不因功能耗过大而烧毁。

3. 3 小结

通过上述对半导体避雷器工作过程的分析，我们可以知道半导体避雷器能够满足通信系统防护的基本要求，即：

⑴限制过电压：器件上出现的电压不会超过特性曲线上的V_BO，只要选择合适的器件使其V_BO低于被保护线路所能承受的最高电压，就能保证线路不受过电压干扰的影响。

⑵释放过电流：干扰所引起的过电流增大时，器件转入导通状态，提高自身释放电流的能力。

   4 半导体避雷器技术指标的制定

过电压保护器件的技术指标是为了保障被保护线路在正常状态能够正常工作、在受干扰时不损坏而制定的。通信设备过电压保护用半导体避雷器是并联在通信线路上的，其影响通信质量的技术指标包括不动作电压、绝缘电阻（或漏电流）、极间电容以及受到过电压冲击以后的恢复时间等。同时，在制定了技术指标也需要参考现有的器件生产工艺水平。因此，我们为半导体放电管的技术指标作了如下规定：

4. 1 最高限制电压

在由正常工作进入保护状态的过程中，其间上允许出现的最高电压，即特性曲线上的V_BO（见图1）。它是反应器件过电压保护性能的基本指标，其值不能超过被保护线路所能承受的最高电压值。

4. 2 不动作电压

规定一个电压值，保证器件在该电压条件下的电流不大于被保护线路正常工作情况下允许的最大漏电流值。本项指标是为保障在被保护系统处于正常工作不受外来过电压干扰时器件不产生误动作而制定的。从特性曲线上看，V_BR值应不小于不动作电压值。

对于避雷器不动作电压的要求可参见图4，图中U和I分别是系统的最高工作电压和工作电流。工作在曲线A的半导体避雷器可能发生误动作，工作在曲线B的半导体避雷器不发生误动作且最高限制电压较低不是系统承受过多的残余过电压，而工作在C的半导体避雷器则能够确保不发生误动作，但最高限制电压较高。故选用工作在曲线B的器件最为适当。

（图 4 不动作电压的确定）

 

4. 3 绝缘电阻（或漏电流）

器件的绝缘电阻太低（或漏电流太大）会是被保护线路上的有用信号减弱，故必须加以限制，以保证通信质量。半导体避雷器在没有受到过电压冲击时能保持很高的绝缘电阻，通常其漏电流不大于1mA，且受温湿度等环境条件的影响很小，不会对通信质量产生影响。

 

4. 4 极间电容

器件极件电容的过大会影响高频线路的特性阻抗，从而影响着通信信号的传输质量，故也必须加以限制，使一定频率（特别是高频）通信线路能够使用该器件。在半导体工艺中，为了提高元器件的耐电流能力，PN结必须有足够大的结面积，这是其极间电容增大。如瞬态二极管的极间电容多在1000pF以上，采用新工艺生产的半导体放电管极间电容有所降低，通常不大于2048kbit/s数字端口合榨带ISDN（2B+D）线路上均能正常使用，在更高速度的传输线路上应用则有待进一步提高。在这方面气体方电管具有一定的优势，因为其极间电容通常只有10pF左右。

4. 5 冲击恢复时间

指器件动作（击穿）以后，在被保护线路的正常工作条件下恢复到绝缘（高阻抗）状态所需要的时间。制定该项指标是保证通信线路在过电压干扰排除以后能尽快的投入正常工作。为了提高通信系统的接通率和传输质量，保护线路必须在过电压干扰排除后以尽快的速度恢复到正常状态。半导体避雷器能够在很短的时间内恢复。

4. 6 耐浪涌电流能力

为模拟在一定使用环境下被保护线路上的干扰，规定相应的电流值和波形、施加（冲击）次数，来对器件进行冲击。目前由于技术水平所限，起见不可能承受各种恶劣工作环境下出现的所有浪涌干扰。制定本项指标是要求器件能够抗线路上的绝大部分干扰，并能在较长的时间（由冲击次数反映）内正常工作而不失效。

4. 7 电流变化率

制定本项指标的目的与耐电流能力相同，不同的是本项指标主要考核干扰浪涌电流上升率较高器件承受能力。

4. 8 失效模式

当期间承受不住干扰浪涌时，首先要考虑的是人身和设备的安全，故需要规定器件的失效模式，以保证器件失效时线路上不存在过电压。

  5 技术要求与实验方法的研究

国际电信联盟电信标准化（ITU-T）建议K.28对通信设备过电压保护用半导体器件作了规定。为考核该建议是否符合实际试验情况并适应我国国情需要，进而确定我国通信行业标准的方案，我们对该建议进行了分析和研究，并作了大量的实验验证工作，认为应作如下调整（见表1）：

 

项目	k.28技术要求			k.28实验方法	调整意见
最高限制电压	≤400v			电压上升率：100V/s~100V/s、100V/ms、1Kv/ms 试验电流：10A~100A	电压上升率：100kV/s、1kV/us 试验电流：1A~10A
不动作电压	265V 判别电流 20mA			100V/s~100V/ms	265V改为190V，电压上升率：100kV/s，判别电流1mA
绝缘电阻	50V：1×108Ω100V：50×106Ω200V：165×103Ω			略	耐流试验前：100V：1×109Ω 耐流试验后：100V：1×108Ω
极间电容	≤200pF			1MHz、≤1V	1MHz、≤0.5V
冲击恢复时间	30ms			略	完全采用
电流变化率	不失效			25~30A/us	不需要调整（电压≤400V）
浪涌寿命	工频	1s	1A	1000v、43~62Hz	400Vms，50Hz
			10A
		30s	0.5A
	冲击	10A		10/1000ms或10/700ms	10/1000ms，100A，300次
		100A
失效模式	短路或低阻			8/20ms、10kA	采用

（表 1 对K.28的调整）

 下面对表1中所提出的技术指标及其实验方法的调整意见进行研究和分析。

 5. 1 最高限制电压

建议K.28在最高限制电压技术指标中给出了电压上升速率为100V/s至100kV/s、100V/μs和1kV/ms的三种测试条件，其要求均为不大于400V。根据我国通信线路经常受到电力线路干扰的情况，我们认为我国的行业标准应将电压上升速率为100kV/s的最高限制电压要求由400V调整为260V。另外经过试验验证并考虑到可操作性因素，应选取100kV/s和1kV/μs两种电压上升速率，先去上述两种电压上升速率是分别考虑了期间的防工频过电压和防雷过电压的能力，其中工频电压的上升速率是有以下的计算得出的：

V_BO=Vpsinωt

T=1/ωarcsinV_BO/V_P=2.65(ms)

电压上升速率=V_BO/t=87.0(kV/s)

考虑到工频电压的波动，应选取100V/s的上升速率作为测试条件。

在实验方法上，为了保证试验时样品能够达到完全击穿，建议K.28规定的试验电流为10A至100A。经过试验研究，我们发现了1A的试验电流已经足够是现有的元器件完全击穿。因为本项试验并非考核样品的耐电流能力，为了确保实验进行时样品不受到意外损坏，应将试验电流减小。

5. 2 不动作电压

建议K.28中规定的不动作电压要求为265V，它是根据交换设备的振铃电压、支流溃电电压和工频感应电压之和设定的。由于工频感应电压并非正常工作电压，而是一种过电压干扰，对于能够自恢复的过电压保护元器件而言，是允许动作并应当起保护作用的，我国行业标准不应考虑工频感应电压并将不动作电压的要求作相应的调整。通过实验验证，在样品未动作时，其电流均小于1mA，而建议K.28规定判别样品动作与否的电流为20mA，此电流值仍将可能对被保护设备造成影响，故应将检验不动作电压的电流值作相应调整。另外，建议K.28中规定试验使用的斜角波为100V/s至100V/ms（=100kV/s），我们将其确定为100kV/s，理由同5. 1节。

5. 3 绝缘电阻

建议K.28中提供了50V、100V和200V三种测试电压及相应的绝缘电阻要求，并注明200V的测试电压是为特殊用途的线路考虑的。经验整改项目的指标要求偏低，几种常见的样品绝缘电阻均达到1x109Ω以上。根据我国对第一级保护相关标准的要求，本项目的行业标准可选取了100V测试电压等级，并将原要求作相应提高。由于需要进行一些破坏性实验（如耐电流能力试验、环境试验等），可考虑增加复测绝缘电阻的要求。

5. 4 极间电容

建议K.28规定极间电容的技术要求不大于200pF，根据搜集到的技术资料和样品的水平，我们认为该项目是合理的。在实验方法中，该建议规定极间电容的测试电压不大于1V，经试验验证，在不大于1V的电压范园内选取不同测试电压测得的极间电容值相差较大，故我国行业标准对此应做出明确规定。

5. 5 冲击恢复时间

建议K.28对冲击恢复时间所规定的技术要求和实验方法均符合现有产品的技术水平和实际应用的要求，这里不作赘述。

5. 6 电流变化率

本项试验是为了考核样品经受高速电流浪涌冲击的能力，现有产品基本上都能到达建议K.28的要求。

5. 7 浪涌的寿命

浪涌的寿命实验室考核产品保护效果的重要环节，建议K.28的规定能够满足现阶段通信防护的要求。但其中10A冲击电流试验和1A工频电流试验均属于能量多次冲击，尤其是前者冲击次数高达1500次或2500次。经试验验证，小能量的多次冲击未对半导体放电管的性能产生明显的影响，为了缩短试验周期，我国的通信行业标准可作适当调整。

5. 8 失效模式

考核过电压保护期间的方法适用大的浪涌电流对样品进行冲击，建议K.28提供的实验方法是可行的。

另外，建议K.28对环境实验项目、重复实验的间隔时间以及检验规则等都无明确规定，为了便于标准的实施，我国通信行业标准应作补充。

6 验证试验

6. 1 验证试验说明

我们主要选取在我国通信设备上使用的三种较为典型样品进行试验，样品情况及试验条件如表2所示：

	样品A	样品B	样品C
样品来源	用户	生产厂及用户	经销商
样品数量	≥800只	≥400只	≥100只
标称电压	230v	230v	250v
标称耐流能力（10/1000ms）	100A	100A	100A
测试日期	1996年5月~1997年4月
测试环境	温度18℃~30℃；温度50%~70%RH

（表 2 样品情况及实验条件）

6. 2 特性曲线指标验证结果

特性曲线指标验证结果见表3：

型号 项目	样品A	样品B	样品C	测试条件
漏电流	1×10-9~5×10-9	5×10-9~5×10-8	1×10-9~3×10-9	VD=100VDC
	1×10-9~5×10-8	1×10-8~5×10-8	1×10-8~5×10-8	VD=200VDC
击穿电压	235V	220V	247V
转折电压	266V	228V	252V
转折电流	359mA	123mA	124Ma
导通电压	3.5V	1.4V	2.5V	IT=5A

（表 3 特性曲线指标验证结果）

6. 3 技术指标验证结果

技术指标验证结果见表4：

型号 项目		样品A		样品B		样品C		测试条件
		+	-	+	-	+	-
最高限制电压（V）		222.8	223.2	220	220.2	242.0	240.1	100V/s-5mA
		223	223	—	—	—	—	100V/s-100mA
		232.9	233.7	228.1	228.3	257.6	254.4	100V/s-5A
		233.1	234.7	228.1	228.3	257.6	272.9	100V/ms
		257.8	255.8	245.9	246.3	282.7	277.6	1kV/ms
不动作电压（mA）		44.6	45.7	34.2	33.9	33.9	34.3	265V
		0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	200V
绝缘电阻（109Ω）		13.4	13.4	8.3	7.7	71.5	71.0	50V
		27	27.3	13.5	15.1	146	11	100V
		52.9	53.5	15.9	14.5	9.3	9.4	200V
极间电容（pF） 注：直流偏压0）		148.57		193.51		—		0.1V	1kMHz
		173.50		199.40		—			1kHz
		129.74		174.27		—		0.5V	1kMHz
		152.03		175.39		—			1kHz
		114.75		159.77		—		0.9V	1kMHz
		122.99		159.87		—			1kHz
		40.2		52.6		—		50V	1kHz
冲击恢复时间		＜5ms		＜20ms		＜5ms		52V
		＜5ms		＜30ms		＜5ms		135V
电流变化率（V）		245.6	249.2	248.0	247.6	295.4	288.2	25~30A/ms
耐电流能力 （V）	冲 击 （10/100次） 100A，100次	222.4	220.2	220.2	220.2	262.8	256.4	100V/s	复测
		221.8	220.2	220.1	219.6	262.4	257.0		复测
		304.8	327.2	248.6	247.3	274.8	270.5	1kV/ms	复测
		304.8	330	250.9	250.1	275.1	271.2		复测
	工频 （48~52Hz） 10，5次	217.4	216.4	221.5	221.2	254.8	254.8	100V/s	复测
		218.6	215.0	221.6	220.5	255.0	255.0		复测
		300.6	320.2	250.4	249.8	278.1	275.4	1kV/msP	复测
		305.5	324.4	251.4	250.8	279.2	276.1		复测
失效模式		短路		裂开		裂开		8/20ms、10kA

（表4 技术指标的验证结果） 

7 半导体避雷器与气体放电管、压敏电阻的比较

7. 1 基本特性和技术指标比较

通过实验堆半导体避雷器与传统的过电压保护器进行了比较，在表5中列出了半导体避雷器和气体放电管、压敏电阻的基本特性和技术指标的比较结果。

 

器件 比较项目		半导体避雷器	气体放电管	压敏电阻
材料		硅单晶	惰性气体间隙	氧化锌陶瓷
放电方式		导通	导通	限压（箝压）
支流击穿电压	范围	6V~400V	70V~1600V	几十伏~几千伏
	离散性	小	较大	较小
冲击击穿电压		与直流击穿电压接近	高于直流击穿电压	稍高于直流击穿电压
漏电流		小	小	较小
绝缘电阻		大	小	较大
响应时间		很快	较慢	较快
极间电容		较大	很小	较小
冲击恢复时间		快	较慢	较慢
耐流能力		较低	大	大
失效方式		短路	开路	开路
适用范围		一级、或二级保护用	一级保护用	电源、或二级保护用
过电压浪涌		好（见图5-d、c）	一般（见图5-d、e）	一般（见图5-f、g）

（表5 基本特性和技术指标的比较）

下面主要对表5种的技术指标比较项目做出进一步的分析：

7 .1.1 击穿电压

①     半导体避雷器

常见半导体避雷器的直流击穿电压范围在30V到700V之间，不同电压等级的半导体避雷器可分别用于通信设备的第一级或第二级过电压保护；

半导体避雷器的击穿电压稳定，受多次过电压冲击式的击穿电压基本不同，同一等级的不同样品击穿点压力三性小。受环境条件影响小，仅在温度较高时击穿电压略有提高；

击穿电压值受过电压的上升速率影响小，冲击（上升速率为1kV/μs）击穿电压略大于直流（上升速度率为100V/s）

②     气体放电管

气体放电管的直流击穿电压一般不小于70V，主要应用在通信设备的第一级过电压保护；

由于气体放电存在偶然性和不稳定性，气体放电管在承受多少过电压冲击时或同一等级不同样品受到冲击时均存在较大的离散性。同时气体放电管还存在着击穿电压的光敏效应和长期贮存或工作后因密封不好而漏气是击穿电压生高等问题；

气体放电管的冲击击穿电压通常高于其直流击穿电压。对于直流击穿电压在150V至300V之间的产品，相关标准对合格品的冲击击穿电压要求是不大于900V，实测值通常在400V至800V之间。

③     压敏电阻

压敏电阻的击穿电压（又称压敏电压）在数十伏至数千伏之间。与半导体避雷器和气体放电管不同，压敏电阻的击穿形式是对过电压进行钳位，通常用在电源系统的过电压防护和通信设备的二级过电压保护上。

压敏电阻稳定性较好，包封好的产品基本上不受环境条件的影响，离散性也较小；

压敏电阻的残压随过电压浪涌电流的增大而上升。

7.1.2 耐过电压浪涌电流能力

①     半导体避雷器

随着工艺的改进，半导体避雷器的耐过电压浪涌电流能力有了很大的提高并接近了气体放电管的水平。目前各种半导体避雷器能够承受10A/s、50Hz的工频电流和10A至200A、10/100μs的冲击电流。

②     气体放电管

气体放电管承受过电压浪涌电流的能力与管子的直径有关，通常直径越大其耐流能力越强。目前用于通信防护的气体放电管得耐流能力为工频2.5至20A/s、冲击耐流能力为50至200A不等。

③     压敏电阻

压敏电阻的耐过电压浪涌电流能力又称通流容量，器件面积越大，通流容量越大。

7.1.3 失效模式

通信设备的过电压防护要求保护装置在失效时呈短路或低阻状态，以便抑制过电压并释放电流，保障设备和人身的安全。

①     半导体避雷器

半导体避雷器的失效模式为安全的短路状态。

②     气体放电管

气体放电管的失效模式为开路状态。

③     压敏电阻

压敏电阻的失效模式为开路状态。

 7.1.4 过电压浪涌冲击波性比较

半导体避雷器和其他过电压保护器件受到过电压浪涌冲击时的波形示意图5。从图中可以看出，半导体避雷器是所有器件中抑制过电压和释放过电流最为彻底的一种。所以是用半导体避雷器能够最大程度的吸收外来浪涌干扰的能量，保护效果较好。

 

（图 5 压敏电阻、气体放电管和半导体避雷器过电压浪涌波形）

7. 2 应用线路的比较

半导体避雷器通常连接在通信系统中可能遭受外来过电压干扰的线路与保护的之间，如果为了防止受横向过电压干扰，也可以连接在两线之间。

7. 2 .1 通信防护传统线路

图6时最常见的通信设备（如交换设备）传统防护线路。图中，A、B是外线端口，GND₁和GND₂分别是保护的和被保护系统工作地，G₁和G₂是气体放电管，R₁和R₂是过电流保护用的阻性元件如熔断电阻、PTC热敏电阻等，RV₁和RV₂是压敏电阻，D₁~D₄是由晶体二极管组成的过电压保护电桥。

 

 

该线路的特点是：

①在第一级保护中采用热量传递和机械开关的方式实现失效短路和告警。当线路上出现长时间大电流浪涌干扰时，气体放电管放电产生的热量是易溶金属片融化，在弹簧的作用下开关K₁、K₂或K₃、K₄闭合，将浪涌电流引入保护地并发出告警。这种工作方式存在许多问题。如：

·短路下地与告警的同步问题。由于体积的限制，开关K1~K4通常只是由几个小金属片组成，在动作时不易实现协调同步。

·动作的可靠性问题。气体放电管动作时产生的热量不但传递到易溶进金属片上，同时也传递到驱动开关动作的弹簧上，这就可使弹簧产生退货软化而不能起到应有的作用。

·保护线路的失效并不代表元器件已经失效，反之，元器件失效是保护线路的安全短路和告警机构并不一定能发挥作用。在多数情况下，当线路受到工频过电压干扰是易溶金属片融化，告警信号现实保护线路失效，此时线路中所有电子元器件都还能够有效的工作，这就难免造成材料的浪费。而当线路长期工作后气体放电管因漏气或受到瞬间大电流的浪涌冲击等原因失效开路时，没有足够的热量使易溶金属片融化，安全短路和告警线路不起作用，这就使系统工作在没有第一级过电压保护的危险地。

②在二级保护中，使用压敏电阻和桥式电路来吸收残余的电压。由于压敏电阻失效以后呈开路状态，对系统安全存在一定的威胁。另外，乔石电路的保护方式是将正向过电压引入地线，而将反向过电压引入电源，这也对系统的电源构成了威胁。

7. 2. 2 半导体避雷器防护线路

半导体避雷器有分立元件和集成电路两种线路。图7是分立元件形式的半导体避雷器防护线路。图中作为第一级过电压保护的半导体放电管G₁和G₂的击穿电压较高，其耐浪涌电流能力也较强，而作为第二级过电压保护的半导体放电管G₃和G₄、G₅和G₆的作用只是吸收残余过电压，故耐浪涌电流能力允许降低，其工作电压根据系统对应的工作电压而定。该线路不存在上述传统线路的缺点，但是线路人显得较为复杂，不利于减小体积（虽然半导体器件的体积要比传统保护器件小）和降低成本。另外，该线路也较难实现失效告警。

图8时集成化的半导体避雷器防护线路。图中U₁是过电压和过电流保护集成电路，电阻R₁和R₂是过电流取样电阻，半导体放电管G₁和G₂只起过电压取样的作用，可以用压敏电阻、瞬态二极管或过电压保护电桥来代替。当U₁通过过电压取样元件或过电流取样电阻检测到过电压或过电流干扰时，触发内部的可控硅使其导通释放过电压和过电流并同时发出告警信号。该线路除了不存在上述传统保护线路的缺点外，还具有明显的优点。他将过电压保护、过电流保护和告警三种功能集中在一块半导体集成电路和少量的外围元件中，并且同时实现了第一级保护和第二级保护的功能，工作更为可靠，在出现过电压或过电流时都能发出警告信号而不管器件是否失效，体积比分立元件小，是应用成本降低。另外，只要通过调整R₁和R₂或G₁和G₂的参数便可调节避雷器的过电流或过电压动作门限，使其适用于各种通信系统的防护。

 

（图8 集成化半导体避雷器保护线路）

8 结论

8. 1 选择过电压保护期间的基本原则

本文所给出的选择保护元器件的基本原则可供通信防护设计人员在选用保护元器件时参考。下面的基本原则在第2部分已经作了较为详尽的论述。

·不能影响被保护通信系统的正常工作。

·击穿电压应尽量低且离散性小。

·应能够充分的释放浪涌电流。

·响应速度应尽可能快。

·具有足够的浪涌寿命。

·性能稳定，受工作环境影响小。

·安全失效。

8. 2 我国半导体避雷器通信行业标准的依据

经验证，ITU-T建议K.28种的大部分技术指标和实验方法是合理可行的，可以作为制定我国通信行业标准的依据。但少数技术指标和实验方法（如最高限制电压、不动作电压和极间电容等）需要作适当的调整。等效采用TTU-T建议K.28制定行标适合我国国情，且具有一定的可操作性。

8. 3 推广应用半导体避雷器的意义

半导体避雷器动作快、冲击击穿电压低，环境适应性好（对温度不敏感、不存在光敏和漏气等问题）、失效呈安全的短路模式、工作稳定可靠，适用于传输速率为2048kbit/s及以下的通信线路和设备的过电压保护。所以，该器件在一定范围内（除高频和电源线路外）能取代传统器件，加速该器件的推广能延长通信网的平均无故障时间，减少通信设备的损坏率和通信线路的维护工作量，从而降低营运成本，提高经济效益。