다중 펄스 서지의 영향을 포함하여 배리스터 오류가 발생하는 방법 및 이유

때는 2011년이었고 중국에서는 가공 송전선로에 발생한 번개 섬광의 영향을 기록하기 위한 실험이 진행 중이었습니다. 라인은 유도 전류를 기록하기 위해 계측되었으며, 계측기는 금속 산화물 배리스터(MOV)로 보호되었습니다. 배리스터는 흔히 MOV(Metal Oxide Varistor)라고 불린다. 기록된 번개 섬광은 여러 번의 복귀 스트로크로 구성되었으며 그 중 어느 것도 MOV의 Imax 등급을 초과하지 않았습니다. 그러나 실험자들은 놀랍게도 MOV가 손상되었습니다.

어떻게 이런 일이 일어날 수 있습니까? 그리고 더 중요한 것은 왜 Imax가 낙뢰 보호용 MOV를 선택하는 데 좋은 기준이 아닐 수 있으며 대안이 있습니까? 이러한 질문에 답하는 데 도움이 되도록 이 기사에서는 MOV가 무엇인지, MOV가 만들어지는 방식이 서지 시 동작에 어떤 영향을 미치는지, 고장이 어떻게 발생하는지, MOV 속성에 미치는 영향에서 다중 펄스 서지가 단일 서지와 어떻게 다른지 논의하겠습니다.

고장을 이해하려면 배리스터가 어떻게 만들어지는지 논의하는 것이 유용합니다. 이와 관련하여 주목할 점은 세 가지이다.

먼저, 배리스터는 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하는 세라믹 소재이다. 주변 조건에서 ZnO는 그림 1에 표시된 것처럼 육각형 우르츠광 구조로 결정화됩니다. 여기서 큰 공은 Zn을 나타내고 작은 공은 산소(O)를 나타냅니다. 이것은 완벽하게 결정화된다면 절연체가 될 복잡한 구조입니다. 그러나 결정화 과정이 완벽하지 않기 때문에 결과적인 산소 결손이나 아연 격자로 인해 이 구조는 실온에서 1 – 100 Ω-cm의 상대적으로 낮은 저항을 갖는 와이드 갭 반도체가 됩니다.

그림 1: Wurtzite 구조. 큰 공은 Zn을 나타내고 작은 공은 산소를 나타냅니다.

둘째, 배리스터는 하나의 균일한 우르츠광 결정이 아니라 많은 결정립이 합쳐진 것입니다. ZnO를 배리스터로 만들기 위해서는 소량의 Bi2O3를 첨가합니다. Bi2O3는 그림 2와 같이 결정립계로 들어갑니다. Bi2O3 외에도 비선형 특성을 향상시키기 위해 MnO를 첨가할 수 있습니다. ZnO 입자 성장을 제어하기 위한 Sb2O3, ZnO 입자 전도도를 높이기 위한 소량의 Al2O3.

그림 2: 배리스터 구조의 일반적인 현미경 사진

두 개의 ZnO 입자 사이의 Bi2O3로 인해 백-백 쇼트키 다이오드가 형성됩니다. 따라서 본질적으로 배리스터는 결정립 경계 접합당 약 2V-3V의 전압 강하(결정립 크기와 무관)를 갖는 백-백 쇼트키 다이오드로 분리된 n형 재료의 직렬 병렬 배열입니다. He [1]에 따르면 이 구조는 방정식 (1)에 의해 전기적으로 특성화될 수 있습니다.

(1)

여기서 V는인가 전압이고 I는 배리스터를 통과하는 전류입니다. 여기서, E, A1, A2, Vth, m은 배리스터의 전기적 특성과 관련된 상수이고, α는 배리스터의 일반적인 비선형 계수이다. 방정식 (1)은 배리스터 VI 곡선의 모양을 설명하는 데 유용합니다. E는 배리스터의 여기에너지, K 볼츠만 상수, A1, A2, m은 배리스터의 전기적 특성과 관련된 상수, Vth는 문턱전압이다.

방정식 (1)의 첫 번째 항은 배리스터의 VI 설명에 거의 포함되지 않습니다. 배리스터의 저전류 영역에서의 쇼트키 방출 전류입니다. 두 번째 항은 고전류 영역의 일반적인 비선형 전류입니다.

식 (1)의 상수는 배리스터 재료의 조성과 제조 공정의 소결 시간을 변화시킴으로써 제어된다. 임계 전압 Vth는 조성 및 소결 조건에 따라 달라집니다. 이는 두 전극 사이의 입자 경계 수를 제어합니다. Vth는 결정립계의 수에 비례하므로 결정립계가 많을수록 Vth가 높아집니다.

셋째, 배리스터 제조 공정의 이러한 변화와 다결정 재료에서 일반적으로 발생하는 특성의 통계적 변동으로 인해 결과적인 배리스터가 불균일한 전기적 특성을 갖게 됩니다. 이는 다음을 시사합니다.