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CN111181143B - 瞬变脉冲电压抑制器 - Google Patents

瞬变脉冲电压抑制器 Download PDF

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CN111181143B
CN111181143B CN202010098901.4A CN202010098901A CN111181143B CN 111181143 B CN111181143 B CN 111181143B CN 202010098901 A CN202010098901 A CN 202010098901A CN 111181143 B CN111181143 B CN 111181143B
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Beijing Jie'an Tongda Technology Co ltd
Cixi Wanneng Electronics Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种瞬变脉冲电压抑制器。包括：串联连接的非线性高压触发涌流半导体与电场触发开关，非线性高压触发涌流半导体的组分材料包括：氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化硅、氢氧化铝、硝酸银、氧化铝、碳酸银、氧化硼、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化锌和氧化锡。本发明的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式野战防雷系统上，可以实现高能量雷电的高电压吸收，杜绝和减少雷电电磁脉冲对军用电子设备的全面危害，尤其在高山、海岛、戈壁、草原等地质地况复杂地区，效果明显。

Description

瞬变脉冲电压抑制器
技术领域
本发明涉及防雷装置技术领域，尤其涉及一种瞬变脉冲电压抑制器。
背景技术
现代战争中，固定式指挥系统、通信系统、武器装备及医疗后勤补给系统，地理位置固定抗毁性极差，难以适应高技术条件下的战争生存需求。包括：机动式小区域野外作战阵地、机动式野战指挥所、机动式野战医院、机动式野战后勤保障仓库、机动式野战通讯车(野战雷达车、野战监听监测车、通信指挥车)及机动式小区域作战阵地(雷达站、观通站、指挥中心机房)等一体化综合信息系统，都必须具备随时转移和机动部署功能。在不同环境条件下临时开设的作战需求不同，系统除防御敌方“软杀伤”与“硬摧毁”的打击下，还要应对自然界恶劣环境及气候的考验。特别是雷电破坏尤为重要。一次闪电意味着单次、多次雷电流的冲击，可以造成电子系统线路及设备的严重破坏。这对于信息化设备而言是毁灭性的损伤。由于雷电具备寻找最小路径泄放雷云电荷与大地异性电荷快速中和的趋势及特点，而机动式野战系统都在野外工作，当附近发生闪电现象，强烈的感应雷电波非常容易的沿电缆线、通信信号线进入设备，造成设备损坏及人身安全事故。
因此，满足全地域、全天候的使用要求，充分保障人身安全和设备安全完好的雷电防护已经成为机动式野战系统的安全设计中必不可少的关键环节。为此军方也相应颁布：GJB7581-2012《机动通信系统雷电防护要求》、GJB5080-2004《军用通信设施雷电防护设计与使用要求》、GJB6784-2009《军用地面电子设施防雷通用要求》、GJB6071-2007《军队气象台站防雷技术要求》、GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》、GJB8848-2016《系统电磁环境效应试验方法》、GB18802.12-2014《低压配电系统电涌保护器：选择和使用导则》等标准，意在彻底减少和解决雷电危害与雷电防护问题。
现有技术中的机动式小区域野战电源防雷装置中的瞬变脉冲电压抑制器至少存在如下的缺点：
缺点1：基本使用单一的浪涌保护用压敏电阻元件，主要功能是抑制小概率的线路浪涌，通常是吸收数焦耳以下的能量，高能雷电引起的高电压及过电压基本不起作用。
缺点2：机动式小区域野战电源防雷装置中的瞬变脉冲电压抑制器，基本使用单一的浪涌保护用压敏电阻元件，主要是抑制电流行为下的浪涌电压，没有电流则基本没有任何抑制作用，单一雷电高电压不起作用。
缺点3：机动式小区域野战电源防雷装置中的瞬变脉冲电压抑制器，基本使用单一的浪涌保护用压敏电阻元件，其工作后残余电压太高，即使工作仍然可以造成设备损坏。
缺点4：机动式小区域野战电源防雷装置中的瞬变脉冲电压抑制器，基本使用单一的浪涌保护用压敏电阻元件，在电源系统使用常因老化后自身泄漏电流增大，具备着火的危险。
缺点5：机动式小区域野战电源防雷装置中的瞬变脉冲电压抑制器，基本使用单一的浪涌保护用压敏电阻元件，因为它自身的设计、定义、系统参数及使用范围，无法实现二倍电子倍增这个国军标的最基本的要求。
发明内容
本发明的实施例提供了一种瞬变脉冲电压抑制器，以克服现有技术的问题。
一种瞬变脉冲电压抑制器，包括：串联连接的非线性高压触发涌流半导体与电场触发开关，所述瞬变脉冲电压抑制器与负载电路实现并联连接。
优选地，所述非线性高压触发涌流半导体为晶粒境界层非线性半导体，静态材料排序为无序的单晶粒原电池原理，当外界施加电场满足破开境界势垒界面，则晶粒境界层半导体实现定向有序排列，非线性系数满足60以上，将电场以电荷的形式实现电位传递，形成电荷流，降低高压电场。
优选地，所述电场触发开关包括内部带有触发功能的多电极的放电间隙，该放电间隙通过氖气或氦气密封，所述多电极中的上下电极为功能电极，中心电极为脉冲触发电极，所述放电间隙中包括高频电容器和可变电阻，高频电容器为低容抗多叠层触发电容，可变电阻为电压变阻器与设定的放电电阻并联组成的并联体。
优选地，当雷电高压来临时，所述放电间隙中的电容器完成点火后，放电间隙开始工作，形成回路效应，引发非线性高压触发涌流半导体开始工作，变阻功能将清除电场触发开关形成的先导放电电压毛刺通道，使得残余电压满足系统需要。
优选地，所述瞬变脉冲电压抑制器与负载电路之间的并联连接包括凯文接线方式。
优选地，所述电场触发开关的场触发电位≤200-350V，触发时间≤50纳秒，触发电流≤1KA，所述放电间隙中的电容器的高频脉冲电流＞5A，放电电阻的阻值≮1MΩ。
优选地，所述非线性高压触发涌流半导体的起始电压≤150-300V，脉冲终点电流：≤5KA，瞬态节点电阻：≤0.01Ω，弧压降：≤30V，触发时间≮20纳秒。
优选地，所述非线性高压触发涌流半导体的组分材料包括：氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化硅、氢氧化铝、硝酸银、氧化铝、碳酸银、氧化硼、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化锌和氧化锡；
各个组分材料的摩尔配比为：
ZnO，69-90％；Bi2O3，1-1.2％；Sb2O3，0.1-2％；CO2O3，0.1-0.3％；MnO2，0.1-0.3％；Sn2O3，0.1-0.92％；Cr2O3，0.15-1.5％；SiO2，0.02-0.50％；NiO，0.4-1.05％；AL(OH)3，0.01-0.09％；AGCO3，0.01-0.09％。
优选地，所述非线性高压触发涌流半导体的制造方法包括如下的处理步骤：
步骤1：配料
将氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化硅、氢氧化铝、硝酸银、氧化铝、碳酸银、氧化硼、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化锌和氧化锡组分材料按照所述摩尔配比要求组配后，放入密闭的容器中；
步骤2：球磨混合
将配好的料放入球磨机内，在球磨机中添加粘合剂和水后，进行球磨混料；
步骤3：喷雾造粒
将球磨混合好的料放入喷雾造粒机内进行造粒，得到颗粒料；
步骤4：压片成型
将所述颗粒料放在压力机的磨具里，压力机对所述颗粒料进行压制、保压和脱模处理，得到陶瓷半导体结构的几何形状体的产品毛坯；
步骤5：毛坯码片
将若干所述产品毛坯码放在耐火材料容器中烧结；
步骤6：排胶与高温烧结
将内装产品毛坯的耐火材料容器放入隧道窑炉中，实现第一次烧结排胶，烧结温度为：300-800℃，将烧结排胶后的所述耐火材料容器放入高温隧道窑炉中进行4-24小时的烧结，烧结温度为1000-1300℃，毛坯体烧结后外观呈黑色状陶瓷片；
步骤7：电极附着
将氧化铋银浆按照烧结后毛坯体的几何片状体的形状涂附于其截面，放入隧道窑路中进行电极烧结，烧结温度400-900℃，烧结时间1-6小时；
步骤8、侧面绝缘处理
在电极附着后的毛坯体的侧面刷涂玻璃釉绝缘浆料，经过烘干后烧结处理，烧结温度范围：250-800℃；
步骤9、在毛坯体的电极面各焊接一条镀锡铜线作为元件电极线，得到非线性高压触发涌流半导体，镀锡铜线的线径为0.6-1.2mm，在非线性高压触发涌流半导体的外表面涂覆高绝缘环氧树脂，用于表面绝缘，镀锡铜线不能涂覆，然后，在75-85℃下烘干固化4小时。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式野战防雷系统上，可以实现高能量雷电的高电压吸收，杜绝和减少雷电电磁脉冲对军用电子设备的全面危害，尤其在高山、海岛、戈壁、草原等地质地况复杂地区，效果明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供了一种瞬变脉冲电压抑制器的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种非线性高压触发涌流半导体的制造方法的实现原理示意图。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供了一种瞬变脉冲电压抑制器，该瞬变脉冲电压抑制器的结构如图1所示，由非线性高压触发涌流半导体1与电场触发开关2串联组成。
非线性高压触发涌流半导体的结构特点：为晶粒境界层非线性半导体，静态材料排序为无序的单晶粒原电池原理，一旦外界施加电场满足破开境界势垒界面，则晶粒境界层半导体实现定向(也可以双向)有序排列，即非线性系数满足60以上，则将电场以电荷的形式实现电位传递，形成电荷流，将高压电场降低下来。
非线性高压触发涌流半导体的工作原理：可以通过配方及工艺手段实现人工干预，满足需要的残余电场电位(即：残余电压)的需要，同时满足实际应用中的最大持续工作电压的需要。通过系统参数测试与匹配，可以满足多只非线性高压触发涌流半导体的串联与并联，在伏安-曲线、电阻-电压渐近线、分布电容等满足诸多的条件下，效果上可以实现0.8倍率的欧姆定律，进行参考设计。
电场触发开关的结构特点：1只内部带有触发功能的多电极的放电间隙，该放电间隙通过氖气或氦气密封，上述多电极可以为3电极或者4电极或5电极等，上述多电极中的上下电极为功能电极，中心电极为脉冲触发电极。放电间隙中包括电容器和可变电阻，电容器为低容抗多叠层触发电容。可变电阻为电压变阻器与设定的放电电阻并联组成的并联体。具备脉冲点火功能，同时放电电阻又肩负电容的防电任务。
电场触发开关的工作原理：可以通过电容器高频容抗等工艺手段实现人工干预，满足需要的残余电场电位(即：残余电压)的需要。雷电高压来临，电容器首先工作完成点火任务后，放电间隙开始工作，形成回路效应，引发非线性高压触发涌流半导体开始工作，巨大的变阻(从高阻变成电阻)功能将清除电场触发开关形成的先导放电电压毛刺通道，使得残余电压满足系统需要(即二倍电子倍增)，实现国军标的具体要求。
非线性高压触发涌流半导体与电场触发开关必须实现串联的电气连接后，与负载电路实现并联连接，并联连接尽量实现凯文接线方式，最大限度的实现全面等电位连接。非线性高压触发涌流半导体与电场触发开关必须实现串联没有泄漏电流，同时也是残余电压的优先选择。电容器的高频容抗尽量小，通常选用10-50叠层，高频脉冲电流＞5A，放电电阻的阻值决定电容的放电时间，同时也决定了抵御连续的、多脉冲的雷电参数来选择，通常≮1MΩ。
上述瞬变脉冲电压抑制器的参数选择如下：
*电场触发开关：
场触发电位≤200-350V
触发时间≤50纳秒
触发电流≤1KA
*非线性高压触发涌流半导体：
起始电压≤150-300V
脉冲终点电流：≤5KA
瞬态节点电阻：≤0.01Ω
弧压降：≤30V
触发时间≮20纳秒
非线性高压触发涌流半导体的组分材料包括：
氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化硅、氢氧化铝、硝酸银、氧化铝、碳酸银、氧化硼、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化锌、氧化锡等金属氧化物组成，非线性系数90以上，该非线性系数是描述非线性高压触发涌流半导体(电流与电压的函数)非线性强弱的电参数。通过实验可以建立起关系，从电流与电压的函数关系中可以看出这种非线性的强弱。取一只非线性高压触发涌流半导体，在其两端施加脉冲电压，脉冲的宽度应窄到不使该半导体发热，测出并记下各电压值相对应的电流值，在双对数坐标上描点连线，得到的伏安特性曲线。
各个组分材料的典型的摩尔配比为：
ZnO(69-90％)；Bi2O3(1-1.2％)；Sb2O3(0.1-2％)；CO2O3(0.1-0.3％)；MnO2(0.1-0.3％)；Sn2O3(0.1-0.92％)；Cr2O3(0.15-1.5％)；SiO2(0.02-0.50％)；NiO(0.4-1.05％)；AL(OH)3(0.01-0.09％)；AGCO3(0.01-0.09％)。
本发明实施例提供的一种非线性高压触发涌流半导体的制造方法的实现原理示意图如图2所示，包括如下的处理步骤：
步骤1：配料。
将氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化硅、氢氧化铝、硝酸银、氧化铝、碳酸银、氧化硼、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化锌、氧化锡等组分材料按照配方要求组配后，放入密闭的容器中。
步骤2：球磨混合。
将配好的料放入球磨机内，在球磨机中添加粘合剂和水后，进行球磨混料。
步骤3：喷雾造粒。
将球磨混合好的料放入喷雾造粒机内进行造粒，造好犹如洗衣粉状颗粒料。
步骤4：压片成型
将上述颗粒料放在压力机的磨具里，然后压力机开始对上述颗粒料进行压制、保压和脱模处理，陶瓷半导体结构的几何形状体的产品毛坯就诞生了，该毛坯可以是圆形、矩形片等任意几何形状体，压力机模具决定成型形状。成型好的毛坯的密度为：2.5-4.2g/cm3，厚度可以根据情况设定。
步骤5：毛坯码片。
将若干上述产品毛坯码放在专用耐火材料容器中烧结。
步骤6：排胶与高温烧结。
将内装产品毛坯的耐火材料容器放入隧道窑炉中，实现第一次烧结排胶，烧结温度为：300-800℃。将烧结排胶后的上述耐火材料容器放入高温隧道窑炉中进行4-24小时的烧结，烧结温度为1000-1300℃。毛坯体烧结后外观呈黑色状陶瓷片，毫米电压(即：在烧结后毛坯体两端测试DC1mA下在每毫米的导通电压)为：50-100V/mm范围。经过上述工艺处理后坯体的密度范围为：3.2-5.8g/cm3。
步骤7：电极附着。
将氧化铋银浆按照烧结后毛坯体的几何片状体的形状涂附于其截面，放入隧道窑路中进行电极烧结，烧结温度400-900℃，烧结时间1-6小时(即：附着导电金属电极工艺)。
步骤8、侧面绝缘处理。
在电极附着后的毛坯体的侧面刷涂玻璃釉绝缘浆料。玻璃釉绝缘可以为：硅-铅类、硅-钛类、硅-铅-钛类等，主基材可以为：氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化铅、氧化钛、氧化钙、氧化镁、氧化钡、氧化钾、氧化钠等，将玻璃釉绝缘和主基材球磨混合施加粘合剂后得到玻璃釉绝缘浆料，刷涂于烧结后几何片状体侧面，经过烘干后烧结处理，烧结温度范围：250-800℃。
步骤9、在毛坯体的电极面各焊接一条镀锡铜线作为元件电极线，得到非线性高压触发涌流半导体，镀锡铜线的线径可以为0.6-1.2mm。在非线性高压触发涌流半导体的外表面涂覆高绝缘环氧树脂，用于表面绝缘，镀锡铜线不能涂覆。然后，在75-85℃下烘干固化4小时。
本发明实施例提供的瞬变脉冲电压抑制器可以作为机动式小区域野战干线电缆防雷装置中的第二级保护装置。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的设备中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的设备中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个设备中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
综上所述，本发明实施例的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式野战防雷系统上，可以实现高能量雷电的高电压吸收，杜绝和减少雷电电磁脉冲对军用电子设备的全面危害，尤其在高山、海岛、戈壁、草原等地质地况复杂地区，效果明显。
本发明实施例的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式小区域野战防雷系统上得到过前期应用。效果良好。
本发明实施例的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式小区域野战防雷系统上，雷电引起的高电压、大电流、或者单一高压、单一高流等能吸收，全方位、全模式保护的技术。
本发明实施例的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式小区域野战防雷系统上，使得系统残余电压得到控制与吸收，是保护设备的终端防线。
本发明实施例的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式小区域野战防雷系统上，使得系统泄漏电流，不会着火，安全可靠。
本发明实施例的瞬变脉冲电压抑制器，使用在机动式小区域野战防雷系统上，实现二倍电子倍增这个国军标的最基本要求的关键及核心技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种瞬变脉冲电压抑制器，其特征在于，包括：串联连接的非线性高压触发涌流半导体与电场触发开关，所述瞬变脉冲电压抑制器与负载电路实现并联连接；
所述非线性高压触发涌流半导体的组分材料包括：氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化硅、氢氧化铝、硝酸银、氧化铝、碳酸银、氧化硼、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化锌和氧化锡；
各个组分材料的摩尔配比为：
ZnO，69-90％；Bi2O3，1-1.2％；Sb2O3，0.1-2％；CO2O3，0.1-0.3％；MnO2，0.1-0.3％；Sn2O3，0.1-0.92％；Cr2O3，0.15-1.5％；SiO2，0.02-0.50％；NiO，0.4-1.05％；AL(OH)3，0.01-0.09％；AGCO3，0.01-0.09％；
所述非线性高压触发涌流半导体的制造方法包括如下的处理步骤：
步骤1：配料
将氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化硅、氢氧化铝、硝酸银、氧化铝、碳酸银、氧化硼、氧化锡、氧化铜、氧化镍、氧化锌和氧化锡组分材料按照所述摩尔配比要求组配后，放入密闭的容器中；
步骤2：球磨混合
将配好的料放入球磨机内，在球磨机中添加粘合剂和水后，进行球磨混料；
步骤3：喷雾造粒
将球磨混合好的料放入喷雾造粒机内进行造粒，得到颗粒料；
步骤4：压片成型
将所述颗粒料放在压力机的磨具里，压力机对所述颗粒料进行压制、保压和脱模处理，得到陶瓷半导体结构的几何形状体的产品毛坯；
步骤5：毛坯码片
将若干所述产品毛坯码放在耐火材料容器中烧结；
步骤6：排胶与高温烧结
将内装产品毛坯的耐火材料容器放入隧道窑炉中，实现第一次烧结排胶，烧结温度为：300-800℃，将烧结排胶后的所述耐火材料容器放入高温隧道窑炉中进行4-24小时的烧结，烧结温度为1000-1300℃，毛坯体烧结后外观呈黑色状陶瓷片；
步骤7：电极附着
将氧化铋银浆按照烧结后毛坯体的几何片状体的形状涂附于其截面，放入隧道窑路中进行电极烧结，烧结温度400-900℃，烧结时间1-6小时；
步骤8、侧面绝缘处理
在电极附着后的毛坯体的侧面刷涂玻璃釉绝缘浆料，经过烘干后烧结处理，烧结温度范围：250-800℃；
步骤9、在毛坯体的电极面各焊接一条镀锡铜线作为元件电极线，得到非线性高压触发涌流半导体，镀锡铜线的线径为0.6-1.2mm，在非线性高压触发涌流半导体的外表面涂覆高绝缘环氧树脂，用于表面绝缘，镀锡铜线不能涂覆，然后，在75-85℃下烘干固化4小时。
2.根据权利要求1所述的瞬变脉冲电压抑制器，其特征在于，当外界施加电场满足破开境界势垒界面，则所述非线性高压触发涌流半导体实现定向有序排列，非线性系数满足60以上，将电场以电荷的形式实现电位传递，形成电荷流，降低高压电场。
3.根据权利要求1所述的瞬变脉冲电压抑制器，其特征在于，所述电场触发开关包括内部带有触发功能多电极的放电间隙，该放电间隙通过氖气或氦气密封，所述多电极中的上下电极为功能电极，中心电极为脉冲触发电极，所述放电间隙中包括高频电容器和可变电阻，高频电容器为低容抗多叠层触发电容，可变电阻为电压变阻器与设定的放电电阻并联组成的并联体。
4.根据权利要求3所述的瞬变脉冲电压抑制器，其特征在于，当雷电高压来临时，所述放电间隙中的电容器完成点火后，放电间隙开始工作，形成回路效应，引发非线性高压触发涌流半导体开始工作，变阻功能将清除电场触发开关形成的先导放电电压毛刺通道，使得残余电压满足系统需要。
5.根据权利要求1所述的瞬变脉冲电压抑制器，其特征在于，所述瞬变脉冲电压抑制器与负载电路之间的并联连接包括凯文接线方式。
6.根据权利要求1所述的瞬变脉冲电压抑制器，其特征在于，所述电场触发开关的场触发电位≤200-350V，触发时间≤50纳秒，触发电流≤1KA，放电间隙中的电容器的高频脉冲电流＞5A，放电电阻的阻值≮1MΩ。
7.根据权利要求1所述的瞬变脉冲电压抑制器，其特征在于，所述非线性高压触发涌流半导体的起始电压≤150-300V，脉冲终点电流：≤5KA，瞬态节点电阻：≤0.01Ω，弧压降：≤30V，触发时间≮20纳秒。
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