マルチパルスサージの影響を含むバリスタの故障がどのように、そしてなぜ起こるのか

時は 2011 年、架空送電線で引き起こされた稲妻の影響を記録する実験が中国で行われていました。 ラインには誘導電流を記録するための機器が設置されており、機器は金属酸化物バリスタ (MOV) で保護されていました。 バリスタは、MOV (Metal Oxide Varistor) と呼ばれることがよくあります。 記録された稲妻の閃光は複数のリターンストロークで構成されており、いずれも MOV の Imax 定格を超えていませんでした。 しかし、実験者たちが驚いたことに、MOV は損傷していました。

どうしてこんなことが起こるのでしょうか？ そしてさらに重要なのは、なぜ Imax が落雷保護用の MOV を選択するための適切な基準ではないのか、また代替手段はあるのかということです。 これらの質問に答えるために、この記事では MOV とは何か、その作成方法がサージ時の動作にどのように影響するか、障害がどのように発生するか、および MOV 特性への影響においてマルチパルス サージが単一サージとどのように異なるかについて説明します。

故障を理解するには、バリスタがどのように作られるかを議論することが役立ちます。 この点に関して、注意すべき点が 3 つあります。

まず、バリスタは酸化亜鉛（ZnO）を主成分とするセラミック材料です。 周囲条件では、図 1 に示すように、ZnO は六方晶系ウルツ鉱構造に結晶化します。ここで、大きな球は Zn を表し、小さな球は酸素 (O) を表します。 これは複雑な構造であり、完全に結晶化すると絶縁体になります。 しかし、結晶化プロセスは完全ではないため、結果として生じる酸素欠損または格子間亜鉛により、この構造は室温で 1 ～ 100 Ω-cm の比較的低い抵抗率を持つワイドギャップ半導体になります。

図 1: ウルツ鉱構造。 大きなボールは Zn を表し、小さなボールは酸素を表します。

第二に、バリスタは 1 つの均一なウルツ鉱結晶ではなく、多くの結晶が合体して粒子になっています。 ZnO をバリスタにするには、少量の Bi2O3 を添加します。 図 2 に示すように、Bi2O3 は粒界に入ります。Bi2O3 に加えて、非線形特性を強化するために MnO を添加することもできます。 Sb2O3 は ZnO 粒子の成長を制御し、少量の Al2O3 は ZnO 粒子の導電性を高めます。

図 2: バリスタ構造の典型的な顕微鏡写真

2 つの ZnO 粒子間の Bi2O3 により、バックバック ショットキー ダイオードが形成されます。 したがって、本質的に、バリスタは、粒界接合部ごとに約 2V ～ 3V の電圧降下 (粒径に関係なく) を持つバックバック ショットキー ダイオードによって分離された n 型材料の直並列配置です。 He [1] によれば、この構造は式 (1) によって電気的に特徴付けることができます。

(1)

ここで、V は印加電圧、I はバリスタを流れる電流です。 ここで、E、A1、A2、Vth、mはバリスタの電気的特性に関係する定数、αはバリスタの通常の非線形係数です。 式 (1) は、バリスタの VI 曲線の形状を説明するのに役立ちます。 E はバリスタの励起エネルギー、K ボルツマン定数、A1、A2、m はバリスタの電気的特性に関係する定数、Vth はしきい値電圧です。

式 (1) の最初の項がバリスタの VI 記述に含まれることはほとんどありません。 バリスタの低電流領域におけるショットキー放出電流です。 第 2 項は、大電流領域での通常の非線形電流です。

式 (1) の定数は、バリスタ材料の組成と製造プロセスの焼結時間を変えることによって制御されます。 しきい値電圧 Vth は組成や焼結条件にも依存します。 これらは、2 つの電極間の粒界の数を制御します。 Vth は粒界の数に比例するため、粒界が多いほど Vth は高くなります。

第三に、バリスタの製造プロセスにおけるこの変動と、多結晶材料で一般に発生するそれに伴う特性の統計的変動により、得られるバリスタの電気的特性が不均一になります。 それは次のことを示唆しています: