瞬变电压抑制器浪涌寿命模型探讨

姜丽　武荣荣　黄姣英　贾颖

摘 要： 瞬变电压抑制器（TVS）的浪涌寿命是TVS使用方最为关注的可靠性指标。在对TVS浪涌寿命特点及其主要影响因素分析的基础上，根据Arrehenius模型原理建立了TVS浪涌寿命与脉冲峰值电流倍数和环境温度这两个主要影响因素的关系模型，基于加速浪涌寿命试验数据确定了该模型中待定系数的取值。鉴于TVS使用条件可能与试验条件不同，采取调整系数的办法对模型进行完善，通过理论计算给出非试验波形调整系数的计算公式，通过试验数据和MIL?HDBK?217F中TVS失效率模型调整系数给出了质量调整系数和环境调整系数。试验数据表明建立的TVS浪涌寿命模型比较客观地反映了TVS的浪涌寿命与主要使用因素的关系。

关键词： 瞬变电压抑制器； 浪涌寿命； 模型； 调整系数

中图分类号： TN306?34； TN31 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0138?04

0 引 言

当今电子设备电磁兼容要求越来越高，瞬态电磁脉冲的防护，除了传统的屏蔽、滤波、接地等方法外，还常采用旁路保护器件或电路。所谓旁路保护，是对被保护对象并联一组保护器件或电路，当电路中出现因电磁脉冲耦合产生的瞬态过电压时，保护器件或电路先行击穿，吸收电磁脉冲的大部分能量并转化为其他形式，将被保护电路两端的电压控制在其能承受的范围内。目前，电子设备最常用的旁路保护器件是瞬变电压抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor），其性能较过去常用旁路保护器件如压敏电阻等优越，其中最突出的就是在脉冲持续时间内箝位电压随电流变化微小，能经受瞬态脉冲的次数多，且多次电压箝位后性能不变。而TVS能承受的瞬态脉冲次数自然成为TVS选用时重要的可靠性指标。因此，虽然美军标MIL?HDBK?217F等可靠性预计手册给出了TVS工作失效率模型[1]，但不足以提供TVS选用时所需的可靠性指标。自从20世纪70年代，美国国家宇航局（NASA）提出浪涌寿命（Surge Life）即平均失效前脉冲数这一重要的TVS可靠性参数以来，国外著名TVS生产厂商对其生产的TVS产品浪涌寿命进行过大量的测试和研究[2]，但均未曾建立TVS浪涌寿命与各种使用因素的关系或模型，而国内对国产TVS浪涌寿命研究尚属空白。本文旨在建立包括了TVS几种常见使用因素的浪涌寿命模型。

1 TVS浪涌寿命试验原理

TVS浪涌寿命试验是选取一组同一型号同一批次的TVS样品，对每只样品采用一定时间间隔的序列脉冲对其进行冲击直至失效，从而获得每只样品失效前脉冲次数和这组样品平均失效前脉冲数。试验时两次脉冲的时间间隔以不存在前次脉冲的热积累为标准。试验时采用的脉冲为标准指数波[3]，如图1所示，可用脉冲电流从10%[IPP]（[IPP]为脉冲峰值电流）上升到90%[IPP]的时间[tr]和脉冲电流衰减到50%[IPP]的时间[tp]来定义。例如[tr]为10 μs，[tp]为1 ms的标准指数波称为10 μs/1 ms标准指数波或简称1 ms标准指数波，这是TVS额定脉冲峰值功率或电流定义、箝位电压测试和浪涌寿命试验最常用的波形。

图1 标准指数波的波形

TVS浪涌寿命试验电路可采用箝位电压测试仪实现，其电路原理如图2所示[4]。图中G是标准指数脉冲发生器，当开关[S]闭合时，能产生一次标准指数脉冲。

图2 浪涌寿命试验电路

2 TVS浪涌寿命模型的建立

2.1 模型理论分析

TVS浪涌寿命最主要的影响因素是试验脉冲峰值电流相对TVS额定脉冲峰值[IPP]的比值（以下简称脉冲峰值电流倍数）和试验时环境温度。试验脉冲峰值电流倍数越大，TVS浪涌寿命值越小；试验时环境温度越高TVS浪涌寿命值也越小。通常，Arrehenius模型[5]能较好地反应元器件寿命与温度应力和电应力的关系。该模型常用于建立失效寿命与应力的关系，但也可用于建立交变疲劳寿命次数与应力的关系。该模型于19世纪由Arrehenius从化学实验的经验总结出来：反应速率与激活能的指数成反比，与温度倒数的指数成线性关系，用数学公式可表示为：

[dMdt=Ae-E（kT）] （1）

式中：[M]为元器件某特征值或退化量；[dMdt]表示温度在[T]（热力学温度）时的反应速率；[A]为系数；[E]为反应的激活能，单位为eV；[k]为玻尔兹曼常数，[k=]0.861 7×10-4 eV/K。

如果除考虑激活能，还考虑温度以外的应力[S，]则该模型可表示为：

[dMdt=Ae-E（kT）?Sc] （2）

式中[c]为待定系数。

在本研究中[t]指浪涌次数[N，][S]为试验时脉冲峰值电流倍数，用[I]表示，因此将式（2）变为：

[dMdN=Ae-E（kT）?Ic] （3）

对式（3）两边积分，变形可得：

[lnN=lnΔMA+EkT-clnI] （4）

令[a=lnΔMA]，[b=Ek]，则式（4）变为：

[lnN=a+bT-clnI] （5）

即：

[N=exp（a+bT）?I-c] （6）

式（5）或式（6）反映了TVS浪涌寿命与脉冲峰值电流倍数、温度的关系，其中[a，][b，][c]三个待定系数可通过试验数据代入公式中计算得到。从式（5）可以看出如果试验时脉冲峰值电流倍数不变，浪涌寿命的对数与绝对温度的倒数成线性关系，在半对数坐标纸上为一条直线，直线斜率即为[b]值。如果试验时温度不变，浪涌寿命的对数与脉冲峰值电流的对数成线性关系，在对数坐标纸上为一条直线，直线斜率即为[-c]值。

2.2 实验方案设计和试验结果

为确定式（5）或式（6）中[a，][b，][c]三个待定系数的值，以及验证TVS浪涌寿命与式（5）或式（6）的符合性，需具有TVS在不同环境温度、不同峰值电流倍数下的浪涌寿命数据。由于常温下脉冲峰值电流倍数为1时，TVS能承受的脉冲次数可达上万次[6]，因此采取加速浪涌寿命试验获得所需数据。选取脉冲峰值电流倍数和试验环境温度作为加速因子。加速因子大小的选择须以不改变失效机理为前提[7]。对经受多次浪涌冲击后耗损失效的TVS器件进行了失效分析，发现失效模式为短路，失效部位通常在结表面边缘，失效机理可能是结边缘焊料形成金属化合物而脆化，使管芯与底座热沉逐渐分离，降低了结边缘的散热能力，一段时间以后结温持续增大，导致器件过热烧毁。通常，TVS实际脉冲峰值功率小于额定脉冲峰值功率，其失效属耗损失效。因此，加速因子不能过大使实际脉冲峰值功率超出额定脉冲峰值功率。

试验样品选择额定脉冲峰值功率为1 500 W（目前国产可靠性较高TVS通常采用金属气密封装或玻璃封装，额定脉冲峰值功率为1 500 W），质量等级分别为特军级、超特军级和普军级，型号分别为SY5658、SY5646A和SY5665A的金属气密封装国产TVS产品。额定脉冲峰值功率相同的TVS系列产品在相同温度和相同脉冲下实际峰值功率相同。表1是额定脉冲峰值功率为1 500 W的TVS在25 ℃，40 ℃，60 ℃三个不同温度点下，施加脉冲峰值电流不同的1 ms标准指数脉冲时脉冲峰值功率的值（脉冲峰值电流与相应箝位电压的乘积）。

表1 峰值功率为1 500 W的TVS在三个温度下

加不同脉冲峰值电流时的实际脉冲峰值功率 W

[脉冲峰值电流

[IPP] /A＼&环境温度 /℃＼&25＼&40＼&60＼&1＼&1 045＼&1 200＼&1 400＼&1.25＼&1 322＼&1 470＼&--＼&1.4＼&1 484＼&--＼&--＼&]

由表（1）可确定试验时可施加的1 ms标准指数波的脉冲峰值电流最大值和相应的最高温度。由此，制定了TVS加速浪涌寿命试验方案，见表2。

2.3 试验数据处理和基本模型的建立

由式（5）的分析可知，利用SY5658在[I=1]时三组试验数据拟合可得到一条直线，直线斜率即为[b]值，在纵轴上的截距为[a]值。图3（a）是用数学软件Matlab拟合的结果，同时可得[a=]-11.11，[b=]6 088，[E=b×k=6 088]×0.861 7×10-4=0.58。利用SY5658在[I=]1.25时两组试验数据可得到图3（a）上另一条直线。由图3（a）可见这两条直线近似平行，说明[a、][b]的取值与TVS浪涌寿命的符合性较好。

由式（5）的分析还可知，利用SY5658在环境温度为25 ℃（即[T=]298 K）时三组试验数据拟合可得到一条直线，直线的斜率即为[-c]值。图3（b）是用Matlab拟合的结果，同时可得[c=]16.13。利用SY5658在40 ℃（即[T=]313 K）时两组试验数据可得到图3（b）上另一条直线。由图3（b）可见这两条直线近似平行，说明[c]的取值与TVS浪涌寿命的符合性较好。

将[a，][b，][c]值代入式（6）可得TVS浪涌寿命基本模型为：

[N=exp-11.11+6 088T?I-16.13] （7）

图3 Matlab仿真图

2.4 模型的调整

TVS实际应用中，TVS质量等级、使用环境、承受的瞬态脉冲的波形、持续时间等可能与试验情况不同，TVS浪涌寿命也会有所变化。可通过在基本模型的基础上乘一系列的调整系数的办法对模型进行完善，使模型适合实际应用。

2.4.1 脉冲波形调整系数

TVS在不同的时间内所能承受的能量不同，额定脉冲峰值电流（定义波形为标准指数波）也不同。对于TVS实际应用中承受波形为标准指数波，但持续时间[tp]不为1 ms的情形，带入模型计算的脉冲峰值电流倍数应是TVS实际承受的脉冲峰值电流与脉冲时间为[tp]时额定脉冲峰值电流的比值。而TVS产品手册通常只给出脉冲时间为1 ms时额定脉冲峰值电流，可先计算TVS实际承受的脉冲峰值电流与脉冲时间为1 ms时额定脉冲峰值电流的比值[I，]再计算脉冲时间为1 ms时额定脉冲峰值电流与脉冲时间为[tp]时额定峰值电流的比值[d1。]这样可得TVS实际承受的脉冲峰值电流与脉冲时间为[tp]时额定脉冲峰值电流的比值即为[d1?I。]其中[d1]的计算方法可由TVS脉冲峰值功率与持续时间的关系推算出来，该关系如图4所示[8]，由该关系可得持续时间为1 ms时额定脉冲峰值功率与持续时间为[tp]时额定脉冲峰值功率的比值为[0.423-lg tp]，其中[tp]单位为μs。这同时也是持续时间为1 ms时额定脉冲峰值电流与持续时间为[tp]时额定脉冲峰值电流的比值（因为TVS箝位电压随电流变化极微小），因此[d1=0.423-lg tp。]

图4 TVS脉冲峰值功率与脉冲持续时间的关系

对于脉冲时间为[tp]的非标准指数脉冲波，首先需转换成与其持续时间相等的等能量（TVS承受的脉冲能量的计算方法为脉冲电流对时间积分再乘以箝位电压）的标准指数波，计算转化后标准指数波脉冲峰值电流与原脉冲峰值电流的比值[d2，]再计算原脉冲峰值电流与脉冲时间为[tp]时额定峰值电流的比值[d1?I。]这样可得转化后标准脉冲峰值电流与脉冲时间为[tp]时额定脉冲峰值电流的比值为[d1?d2?I。]因此，可将式（6）调整为：

[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]称为脉冲波形调整系数。其中常见脉冲波形及按脉冲能量相等的原则转化后脉冲峰值电流与原脉冲峰值的比值[d2]如图5所示。

图5 各种波形及转化系数

2.4.2 质量调整系数和环境调整系数

TVS质量等级不同、使用环境不同的情况，可用质量调整系数[KQ]和环境调整系数[KE]进行调整，因此，TVS浪涌寿命模型最终可建立为：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根据表2中试验结果可知TVS质量等级为特军级时[KQ]取1.73，为特军级时[KQ]取1，为普军级时[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足够试验数据，可参照美军标MIL?HDBK?217F中TVS质量和环境调整系数取倒数（因为美军标给出的是失效率模型，而本文给出的是寿命模型），这是在未获得试验数据或难以获得试验数据的情况下最为准确的估计方法。

3 结 语

TVS浪涌寿命模型给出了不同质量等级国产TVS在不同波形、不同使用环境下的浪涌寿命。该模型适用于TVS承受的实际脉冲峰值功率和稳态功率小于额定脉冲峰值功率和稳态功率。如果超出这一使用条件，TVS浪涌寿命将很小（100次以下）。试验证明该模型比较客观地反映了TVS浪涌寿命规律，从而可为TVS正确选用提供依据。根据该模型还可推知，在使用环境温度不能改变的情况下，选用合适的TVS使之所受电应力得到一定程度降额可大大提高其浪涌寿命。需要说明的是，由于受到研究期限、资金、试验条件等方面的限制，所建模型还不够完善，模型中的系数也还有待于进一步验证和修正。

参考文献

[1] Department of Defence. MIL?HDBK?217F reliability prediction of electronic equipment [S]. Washington DC： Department of Defence， 1991.

[2] RICHARDSON Bob， HICKS Matt， WILLIS Simon， et al. Problems with transient voltage suppressors and their solutions [C]// Conference Record of the International Power Modulator Symposium and High Voltage Workshop. [S.l.]： [s.n.]， 2004： 89?93.

[3] OBREJA V V N. Influence of pn junction surface region upon the peak pulse power of silicon transient voltage suppressors [C]// 1997 Semiconductor Conference. Sinania： [s.n.]， 1997： 331?334.

[4] HUTCHINS D W. Failure modes and fusing of TVS devices [EB/OL]. [[2001?06?14].] http：//www.eetindia.co.in/ART_8800386903_1800008_AN_8180a9f.

[5] JENSON Finn. Electronic component reliability fundamentals， modelling， evaluzation， and assurance [M]. USA： John Wiley & Sons Inc， 1995.

[6] OBREJA V V N. An experimental investigation on the nature of reverse current of silicon power pn?junctions [J]. IEEE Transa? ction On Electron Devices， 2002， 49（1）： 155?163.

[7] 王颖，曹菲，吴春瑜，等.等效表面电荷对台面半导体器件钝化的影响[J].电子器件，2007，30（4）：1140?1144.

[8] SMITH A D， LIGHTSEY J R， HUSON R W. Method for exa? mining failed （shorted） transient voltage suppressors to determine the destructive pulse characteristics [C]// Proceedings of IEEE 1989 National Symposium on Electromagnetic Compatibi?lity. Denver， CO： IEEE， 1989： 108?112.

[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]称为脉冲波形调整系数。其中常见脉冲波形及按脉冲能量相等的原则转化后脉冲峰值电流与原脉冲峰值的比值[d2]如图5所示。

图5 各种波形及转化系数

2.4.2 质量调整系数和环境调整系数

TVS质量等级不同、使用环境不同的情况，可用质量调整系数[KQ]和环境调整系数[KE]进行调整，因此，TVS浪涌寿命模型最终可建立为：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根据表2中试验结果可知TVS质量等级为特军级时[KQ]取1.73，为特军级时[KQ]取1，为普军级时[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足够试验数据，可参照美军标MIL?HDBK?217F中TVS质量和环境调整系数取倒数（因为美军标给出的是失效率模型，而本文给出的是寿命模型），这是在未获得试验数据或难以获得试验数据的情况下最为准确的估计方法。

3 结 语

TVS浪涌寿命模型给出了不同质量等级国产TVS在不同波形、不同使用环境下的浪涌寿命。该模型适用于TVS承受的实际脉冲峰值功率和稳态功率小于额定脉冲峰值功率和稳态功率。如果超出这一使用条件，TVS浪涌寿命将很小（100次以下）。试验证明该模型比较客观地反映了TVS浪涌寿命规律，从而可为TVS正确选用提供依据。根据该模型还可推知，在使用环境温度不能改变的情况下，选用合适的TVS使之所受电应力得到一定程度降额可大大提高其浪涌寿命。需要说明的是，由于受到研究期限、资金、试验条件等方面的限制，所建模型还不够完善，模型中的系数也还有待于进一步验证和修正。

参考文献

[1] Department of Defence. MIL?HDBK?217F reliability prediction of electronic equipment [S]. Washington DC： Department of Defence， 1991.

[2] RICHARDSON Bob， HICKS Matt， WILLIS Simon， et al. Problems with transient voltage suppressors and their solutions [C]// Conference Record of the International Power Modulator Symposium and High Voltage Workshop. [S.l.]： [s.n.]， 2004： 89?93.

[3] OBREJA V V N. Influence of pn junction surface region upon the peak pulse power of silicon transient voltage suppressors [C]// 1997 Semiconductor Conference. Sinania： [s.n.]， 1997： 331?334.

[4] HUTCHINS D W. Failure modes and fusing of TVS devices [EB/OL]. [[2001?06?14].] http：//www.eetindia.co.in/ART_8800386903_1800008_AN_8180a9f.

[5] JENSON Finn. Electronic component reliability fundamentals， modelling， evaluzation， and assurance [M]. USA： John Wiley & Sons Inc， 1995.

[6] OBREJA V V N. An experimental investigation on the nature of reverse current of silicon power pn?junctions [J]. IEEE Transa? ction On Electron Devices， 2002， 49（1）： 155?163.

[7] 王颖，曹菲，吴春瑜，等.等效表面电荷对台面半导体器件钝化的影响[J].电子器件，2007，30（4）：1140?1144.

[8] SMITH A D， LIGHTSEY J R， HUSON R W. Method for exa? mining failed （shorted） transient voltage suppressors to determine the destructive pulse characteristics [C]// Proceedings of IEEE 1989 National Symposium on Electromagnetic Compatibi?lity. Denver， CO： IEEE， 1989： 108?112.

[N=expa+bT?（d1?d2?I）-c=KI?expa+bT?I-c] （8）

式中[KI=（d1?d2）-c，]称为脉冲波形调整系数。其中常见脉冲波形及按脉冲能量相等的原则转化后脉冲峰值电流与原脉冲峰值的比值[d2]如图5所示。

图5 各种波形及转化系数

2.4.2 质量调整系数和环境调整系数

TVS质量等级不同、使用环境不同的情况，可用质量调整系数[KQ]和环境调整系数[KE]进行调整，因此，TVS浪涌寿命模型最终可建立为：

[N=KI?KQ?KE?expa+bT?I-c] （9）

根据表2中试验结果可知TVS质量等级为特军级时[KQ]取1.73，为特军级时[KQ]取1，为普军级时[KQ]取0.44。其他[KQ]和[KE]的尚未取得足够试验数据，可参照美军标MIL?HDBK?217F中TVS质量和环境调整系数取倒数（因为美军标给出的是失效率模型，而本文给出的是寿命模型），这是在未获得试验数据或难以获得试验数据的情况下最为准确的估计方法。

3 结 语

TVS浪涌寿命模型给出了不同质量等级国产TVS在不同波形、不同使用环境下的浪涌寿命。该模型适用于TVS承受的实际脉冲峰值功率和稳态功率小于额定脉冲峰值功率和稳态功率。如果超出这一使用条件，TVS浪涌寿命将很小（100次以下）。试验证明该模型比较客观地反映了TVS浪涌寿命规律，从而可为TVS正确选用提供依据。根据该模型还可推知，在使用环境温度不能改变的情况下，选用合适的TVS使之所受电应力得到一定程度降额可大大提高其浪涌寿命。需要说明的是，由于受到研究期限、资金、试验条件等方面的限制，所建模型还不够完善，模型中的系数也还有待于进一步验证和修正。

参考文献

[1] Department of Defence. MIL?HDBK?217F reliability prediction of electronic equipment [S]. Washington DC： Department of Defence， 1991.

[2] RICHARDSON Bob， HICKS Matt， WILLIS Simon， et al. Problems with transient voltage suppressors and their solutions [C]// Conference Record of the International Power Modulator Symposium and High Voltage Workshop. [S.l.]： [s.n.]， 2004： 89?93.

[3] OBREJA V V N. Influence of pn junction surface region upon the peak pulse power of silicon transient voltage suppressors [C]// 1997 Semiconductor Conference. Sinania： [s.n.]， 1997： 331?334.

[4] HUTCHINS D W. Failure modes and fusing of TVS devices [EB/OL]. [[2001?06?14].] http：//www.eetindia.co.in/ART_8800386903_1800008_AN_8180a9f.

[5] JENSON Finn. Electronic component reliability fundamentals， modelling， evaluzation， and assurance [M]. USA： John Wiley & Sons Inc， 1995.

[6] OBREJA V V N. An experimental investigation on the nature of reverse current of silicon power pn?junctions [J]. IEEE Transa? ction On Electron Devices， 2002， 49（1）： 155?163.

[7] 王颖，曹菲，吴春瑜，等.等效表面电荷对台面半导体器件钝化的影响[J].电子器件，2007，30（4）：1140?1144.

[8] SMITH A D， LIGHTSEY J R， HUSON R W. Method for exa? mining failed （shorted） transient voltage suppressors to determine the destructive pulse characteristics [C]// Proceedings of IEEE 1989 National Symposium on Electromagnetic Compatibi?lity. Denver， CO： IEEE， 1989： 108?112.