浅谈TMOV对家用电器的浪涌防护

浅谈TMOV对家用电器的浪涌防护

刘东乐

（厦门赛尔特电子有限公司 361006）

摘要:金属氧化物压敏电阻（以下简称MOV）以其优越的非线性伏安特性，在浪涌保护领域应用十分广泛，并处于重要地位。由于MOV在工作时存在一定的漏电流，在持续电压作用下漏电流有增大的倾向，而且在大电流作用下，其性能更易发生劣化和失效。特别是在需要使用直径达到∮10mm及以上的MOV，在劣化和失效时，往往产生大量的热量， MOV燃烧和爆裂的现象时有发生，必需有过热保护措施。目前，出现了多种对MOV过热保护方式，其中以具有热保护的金属氧化物压敏电阻器（以下简称TMOV）最为引人注目，它比较符合国家GB18802.1-2002及国际TEC61643、UL1449-3rd的相关防雷标准，有希望逐步替代没有任何热保护的MOV，应用于家用电器中，并成为家用电器首选的浪涌防护器件，为用户带来切实可靠的安全保障。

关键词：浪涌保护MOV TMOV 热保护

Abbreviated TMOV

Liu Dongle

(Xiamen SET Electronics,361006)

Abstract: Metal Oxide Varistors play a critical role in the field of

surge protection, and widely used as key component for over-voltage protection, owing to its excellent Non-linear Volt-ampere Character. However, the MOVs might thermal runaway due to the increasing leakage current, or burn and burst in the event of a short-circuit fault. For against MOV's failure and preventing catastrophic accident, it is necessary to add a breaker connecting with the MOV in series. At present, many solutions of MOV's thermal protection arise, the different solution uses different technology. Thermal fuse technology is a prominent and effective solution, because it has a good thermal coupling with the physical body of the MOV. When the body of MOV being heated up by the fault current through it, the thermal fuse will break. Thermally protected MOVs, which integrate a thermal fuse and a disk Varistor in a single package, comply withUL1449 3rd, IEC61643, GB18802.1-2002 standard. Thermally protected MOVs can substitute the standard MOV and offer higher security, never fire or burn, most suitable for home appliance against surge protection.

1 前言

随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，用电设备越来越多，电网越来越密，电气设备遭受雷害的事件也频出报端。雷电灾害虽是小概率事件，但发生时往往伴随着巨大的财产损失，甚至危及

人身安全。近年来国家对防雷减灾工作已十分重视。

雷电灾害主要由直击雷、感应雷和雷电波侵入三种因素引起，一般建筑物上的避雷针、防雷带以及引下线等防雷设施只能预防直击雷，而强大的电磁感应产生的感应雷和由雷电波侵入的过电压却能袭入室内，危及家用电器设备的安全，轻则引起设备失灵，重则导致设备内元器件失效，甚至引发火灾。

电源浪涌不仅源于雷击，还源于出现故障的电力系统。当投切大负荷时，会产生叫做“操作过电压”的电源浪涌。雷击浪涌发生时，通过电网快速传输，虽经衰减，但到室内安放的家用电器时可能仍有上千伏，这个高压脉冲的持续时间很短，只有几十到几百个微秒，也许不足以烧毁电视机、空调器及洗衣机等家电设备，但是对于家电内部的半导体元器件却造成很大的威胁，直接影响家电使用效果和寿命。

据有关资料，美国GE公司测定一般家庭、饭店、公寓等低压配电线(110V)在10000h(约一年零两个月)的时间内，在线间发生的超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到800余次，其中超过1000V的就有300余次。这样的浪涌电压完全有可能一次性地损坏电子设备。

2 MOV的广泛运用

为了解决家用电器可能遭受的雷电涌压，很多家用电器都装配了压敏电阻器，如电视机、空调、洗衣机、电冰箱、电脑等。金属氧化物压敏电阻器（Metal Oxide Varistor简称MOV）,它以其优越的非线

性的伏安特性,及快速的响应速度，大的通流容量,没有续流，低的残压等优点,被广泛用作线路、设备及元器件的过电压保护和浪涌吸收元件。例如，电视机、空调、电脑、洗衣机等多已安装∮14mm或∮20mm的MOV。

3 MOV为何要采取过热保护？

MOV虽有卓越的功能和作用，但它可能因工作一段时间后泄漏电流的增大或因多次承受雷电流或因暂时过电压的作用而失效，特别是∮10mm及直径更大的MOV,在失效时将伴随着大量热量,如果没有有效、迅速的保护措施，将失效了的MOV及时从线路中脱离，便会造成整个供电线路的短路事故，并引起着火或爆炸。MOV失效模式主要分为大电流失效和小电流失效两种，大电流失效模式是MOV 遇到暂时过电压，MOV被快速击穿，形成低阻抗短路，短路电流很大，可以依靠与MOV串联的电流熔断器来切断电路。MOV在小电流失效模式下，主要由MOV频繁承受浪涌侵袭，漏电流增大引起高阻抗短路，此时与MOV串联的熔断器不能达到它的熔断电流而无法熔断，高阻抗短路会产生很大的焦耳热，引起MOV周围的可燃材料的温度升高，如没有过热保护措施，就可造成MOV燃烧和爆裂现象的发生。如采取了过热保护措施，那么就可使MOV在温度异常升高时从电路中脱离，以保障电路及设备安全。

4 MOV热保护的措施

目前，市场上对MOV保护的方法和产品主要有以下几种：

4.1 增加MOV自身的防燃和抗爆能力。

在MOV本体上装热缩套管来增加MOV的抗爆能力；把MOV 放入盒体中，再灌入石英砂等来防燃。采取这些措施以后，虽在一定程度上减少了MOV的起火现象,但是治标而不治本。MOV在发热时产生的热量，虽一部份被削弱，但其余的热量还能通过MOV的引线快速传至电源的线路板,造成线路板碳化而引发火险，也能使MOV 的温度升高而发生热击穿着火，更重要的是这些方法，它不能抑制MOV失效和监视MOV的性能状态，把失效的MOV从电路中脱离，它不符合国家防雷规范GB18802.1-2002等标准对防雷器件的相应要求。

4.2 抑制、减缓MOV的劣化

目前采取的方法，主要有两种。

其一：MOV并联使用

采用几个MOV并联要比仅采用单个MOV可靠，因为采用单个MOV进行保护，一旦该MOV失效，则被保护电子设备就将失去保护，而当采用几个MOV并联保护后，在MOV并联体中，如果其中一个被损坏，其它完好者仍可担负起保护作用。 在应用于较大暂态过电流的保护场合时，采用多个MOV并联与单个MOV相比，多个MOV并联可以给出较低的箝位电压，可以提高泄放暂态过电流的能力，还可延缓其中各MOV的性能劣化。但在并联时，还需考虑均流

等问题，否则难以达到预想效果。在暂态过电流不大的保护家用电器场合，采用多个MOV并联一般没有明显优势，反而会增加成本负担，因此，家用电器采用单个MOV进行浪涌保护是有效的。

其二：MOV与GDT（气体放电管的简称）配合使用

此种方式又分两种：

a. MOV与GDT的并联使用

MOV在通过持续大电流后，自身的性能会退化，将MOV与GDT 并联起来可以克服这一缺点。在GDT尚未放电导通之前，MOV就先动作，吸收瞬时过电压，然后GDT放电导通，这时大部分浪涌电流通过GDT，减小了对MOV的通流压力，有助于减缓MOV的性能退化。但是必须指出，这种并联组合电路并没有解决GDT可能产生的续流问题，因此，它不宜应用于交流电源系统的保护，对家用电器的浪涌保护是不可取的。

b.MOV与GDT的串联使用

在这种串联组合电路中，GDT像是起着一个开关作用，当没有瞬态过电压作用时，它能够将MOV与供电电源隔离开，没有施加工频电压，在MOV中几乎无泄漏电流，这种方式可有效的解决MOV 的漏电流不断增大的问题。如果单独把GDT使用在电源电路中，GDT会产生续流，然而，当把MOV与GDT串接时，其间的MOV 就能够切断这个续流，这种方法曾在美国、西班牙、日本、荷兰等国

SPD防雷制造商那里获得了成功的经验。我国的铁道信号防雷装置中，早在八十年代初已开始应用，也取得了良好的效果。虽然MOV 与GDT串联可用在各种保护模式中，能够克服MOV的泄漏电流逐渐增大的问题，但是，这种MOV与GDT串联却不能用在末级防雷装置中，因为GDT对过电压的响应时间总是比MOV慢，GDT与MOV串联，MOV响应时间快捷的优点被GDT响应时间慢的缺点限制了，在GDT还没有响应前，输入的过电压并没有受到抑制，这个尖峰电压会施加到被保护设备上，这个尖峰电压对灵敏的电子设备是一个威胁。如果使用仪器来测量由MOV与GDT串联电路抑制后的限制电压波形，可以清楚地看到这个波形的前面有一个持续时间很短的尖峰。如果这个尖峰也认为是限制电压，即使尖峰的持续时间很短，若被保护设备是有大规模集成电路或超大规模集成电路构成的就不能承受这个尖峰电压。一般MOV与GDT串联使用的方案只能用于第二级防雷保护装置中，对于家用电器的末级的浪涌保护，用这种方法显然是不可取的。

4.3 用正温度系数热敏电阻PTC与MOV串联使用

利用MOV过压响应时的电流和发热升温使PTC热敏电阻快速反应，对MOV进行过温保护。此种方式，在一定程度上可减少MOV 的导通时间，抑制导通电流量，减少焦耳热的发生，对MOV有一定的保护效果，但由于PTC通流能力差，采用这种方法对家用电器的浪涌保护明显不足，如MOV失效，PTC还是存在不能把其从电路中及时脱离的缺陷。

4.4 对MOV采取热保护

目前，对MOV采取热保护的方式也分两类：一类是机械式的热脱离机构；另一类是采用与MOV有一定的热耦合作用的温度保险丝（简称TCO）。机械式的热脱离机构在众多的防雷装置中早已应用，大体上是利用杠杆平衡原理来设计这种热脱离机构的。采用TCO作为MOV的热保护也有两种，即外靠式和内置式。外靠式是把一个TCO与一个MOV通过紧贴在一起构成串联连接；为了增加TCO与MOV之间的热耦合程度，可在二者之间可加导热硅胶，或把二者用热缩管绑扎起来的，还可以再加一外壳进行包封。此种热保护方式对MOV的小电流失效，即慢慢升温引起的失效有保护作用，但由于MOV与TCO之间的热耦合不紧密，因此热保护效果受限。内置式即热保护型压敏电阻器（Thermally Protected MOV简称TMOV)，是近年来兴起的MOV保护器件，主要在MOV本体上增加一个TCO。这个TCO内电阻很小，不但自身不发热，而且流过大电流时电压降很低。TCO紧靠MOV,之间具有相当好的热耦合性能，能够比较灵敏地感受到MOV的温度升高（简称温升），又由于TCO 与MOV是互相串联的，当TCO受热断开时，就切断了MOV的供电通路，使MOV的温升不再提高，这样就达到了热保护的目的。

5 TMOV现状

TMOV最早由美国力特（Littelfuse）公司推出, 经过近十年的

快速发展，目前全球的TMOV生产厂家已达几十家。截止2010年6月已获得UL认证的TMOV厂家就有近二十家，其中欧美企业就有十几家，来自中国台湾地区的有三家，中国大陆企业仅厦门赛尔特一家。除了力特公司和厦门赛尔特公司以外，其他公司设计的TMOV,几乎都是外购单个的TCO元件，未加导热片，就直接焊接在MOV 瓷片上，然后再进行防潮包封而成。这种设计的TMOV存在一些不足之处，因为需要进行防潮包封，不得不选用动作温度高的熔断温度的合金丝，例如，力特公司的合金丝的熔断温度选择为183℃！（详见其专利描述）。若选用120℃的熔断温度的合金丝，就无法用环氧粉末包封工艺进行包封，比较高的熔断温度的合金丝的过热保护效果就显得不足了。其次，外购的TCO产品由于用途不同，本身并不考虑承载脉冲电流能力，所以并没有脉冲电流耐量的技术指标，也不需要考核脉冲电流耐量，即使各个制造商的TCO的额定电流相同，而脉冲电流耐量相差很悬殊！另外，外购的TCO与MOV之间的连接，必须通过焊接工艺过程，工艺质量与人的因素有关，由于操作者的不良操作，可能会损伤TCO内的合金丝，而导致额定工作电流以及脉冲电流耐量的降低。最后，TCO与MOV之间未加导热片，热传导效果差，如遇MOV边缘击穿，TOC有时会来不及响应，导致TCO 未断，MOV先着火的情况，起不到保护的作用。目前，此行业国家还未制定相关标准，仍处鱼龙混杂的时代，希望有关部门多加关注和重视。

6 TMOV产品特点及在家用电器的电源浪涌保护方案

下面以厦门赛尔特产品为例，介绍其TMOV产品特点及其在家用电器的应用方法。

厦门赛尔特生产的热保护型压敏电阻（TMOV）是在保持MOV 特性的情况下，把TCO与MOV串联置入一壳体中，再用环氧树脂灌封，与常规MOV相比，多了一只引脚，用于监测MOV的工作状态，实现劣化指示和告警功能。厦门赛尔特的TMOV已经获得中国发明专利，还获得了国际合作开发专利和台湾专利在内的多项专利，并取得UL、TUV和PSE认证，并获得2009年度国家火炬项目证书。厦门赛尔特TMOV是采用公司自己特制，适用于浪涌保护的TCO，它不仅内阻非常小，耐脉冲电流能力强，而且它的外壳耐温能力可达１６００℃，即使MOV在放置TCO的位置击穿，也破坏不了TCO的熔断性能，大大增加了保护的安全性和可靠性，而普通的TCO其外壳耐温能力不足２００℃，若MOV在此位置击穿，瞬间的高温极易使TCO外壳融化，而造成TCO两根引线短路，造成失效的MOV无法脱离电路，引发事故。且TCO与MOV本体通过铜导热片连接，热耦合非常紧密，在TCO内设置有性能优良的助熔断剂，有助于把熔化了的合金丝变成两个小球缩回到两端，大大提高了灭弧能力。值得称道的是，用于TMOV的TCO的焊接工艺也是由公司自制的自动化的机械设备来完成的，没有人为因素来影响TCO 的质量问题，保证了产品性能的一致性。TMOV作为浪涌保护器的标准元器件，既可作为一个独立的浪涌抑制器安装在电器里面，亦可

作为浪涌保护器（如TVSS和SPD）的元器件。现已广泛用于3G 通信、铁路及军工项目。TMOV品种规格繁多，为满足家用电器市场需求，针对性的开发适应家电客户需求的体积小、维护方便、性能优越TMOV产品,完全符合IEC 60065-1998(对应GB8898-2001)和IEC60950(对应GB4943-2001)相关标准，还能实现可插拔，表面贴装等功能，可用于波峰焊接，使用和更换都十分方便。

产品如图示：

图１ TMOV产品图１－１

（具体尺寸略）

另外，由试验可知TMOV的电气性能参数与常用的MOV参数完全一致，可见MOV与TCO串接，并不影响MOV的电气性能。

6.1具有TCO断开指示：

图2 电路图

从图2可知，当MOV正常工作时，指示灯亮，当MOV过温时，TOC熔断，指示灯灭。这种方式不仅能对MOV的异常升温可进行量化控制（即可对MOV预设温度值，以决定让它多少温度从电路中脱离），还能监视MOV是否失效与电源电路分离，让家电的电源随时处于安全保护中，完全符合国家有关防雷规范和标准要求。

6.2 TCO能切断被保护设备的供电回路

图3 电路图

从电路图3可知：当MOV正常工作时，TCO处于导通状态，电器设备正常工作；当MOV或电器设备异常升温时，TCO熔断切断供电回路。此时电器设备断电停止工作，需修复才能使用，此方法使用电路简单，可有效保障家电安全，避免超温失火的危险。

如没有TCO对MOV保护，MOV在试验电流大于100mA时，就会着火燃烧，MOV如试验电流在1A以上，着火不仅迅速，而且非常剧烈，而TMOV即使试验电流达15A以上，也能安全切断而不会燃烧。

图4 TMOV保护效果测试结果

图4是在同样试验条件下，分别让压敏电阻通以１５A的电流，测试结果显示，由于没有保护的MOV和用TCO保护的MOV都出现了燃烧的现象，只有TMOV安然无恙，TMOV的保护效果，由此可见还是十分明显的。

7 TMOV产品遵循的有关防雷技术标准

a 在国家防雷标准GB18802.1及IEC61643-1-1998中，有这样的规定“在接入低压配电系统的电涌保护器，对室内型SPD合格判据：表面温度在试验过程中应始终低于120℃，脱离器动作5分钟后应低于80℃”，在3.29项中也提到要有热保护，这是TMOV 采用过温保护的技术要求所在。

b 在国家通信行业防雷标准YD-T1235.1-2002中的3.19项与

3.23项，明确规定“防雷器要有过热保护和热脱扣功能”。

c 在建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004中，

5.4.1的第5条也明确规定，“防雷器宜有劣化显示功能”，即失效指示。

d 在UL1449 及UL60950-1-2标准中，也具体列出了对MOV 的保护要求，现摘录UL60950-1-2其中一段：“1.5.9.2 压敏电阻（VDR）的保护为保护如下三种情况：暂时过电压，高于最大持续工作电压的；热过载，由漏电流引起的；燃烧和爆裂，出现短路故障时。需要有一个断路装置和VDR串联，该短路装置应有足够的断开能力。”

从此标准要求可知，仅仅用FUSE来保护MOV显然是不够的，采用TMOV就能完全满足各项要求，达到更好的保护效果。该标准将于2010年12月起实施。

8 结语

随着电子技术等相关技术的快速发展和应用,近年来，家用电器的功能和质量显著提升,安全问题也有了很大的改善。一直困扰我们的空调、电视等家电因使用的MOV劣化和失效引发的火险隐患，随着TMOV技术的发展，将迎刃而解，因为有了TMOV就相当于给家电提供了一个“安全卫士”，给用户带来切实可靠的安全保障，给社会增添安宁。