压敏电阻在IEC 60950-1中的要求解析
北京海关技术中心武鹏齐玮
摘要
阐述了压敏电阻和气体放电管的特性以及两者在开关电源单独或串联使用的情况；详细分析了IEC 60950-1:2013 对压敏电阻的要求，并结合型式试验时的不合格实例及整改方案来加以说明，有助于相关检测人员更好地理解标准。
关键词
安规测试；IEC 60950-1:2013；压敏电阻；气体放电管
本文发表在《安全与电磁兼容》2020.2
引言
浪涌被称为瞬态过电压，是电路中出现的一种短暂电流、电压波动，会对电子设备造成危害。压敏电阻作为信息技术设备等产品中常见的抗雷击浪涌的元器件，可以有效防止这种危害。但是压敏电阻的使用位置、选型不当都可能造成整机产品不满足安全标准要求。本文分析了 IEC60950-1:2013 中对压敏电阻的要求，以期对压敏电阻的正确使用提供帮助。
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压敏电阻相关定义解析
电子电路中的浪涌保护元器件，也称为浪涌抑制器。常见的浪涌抑制器包括电压敏感电阻器（VDR）、碳块、气体放电管（GDT）和其他一些具有非线性电压电流特性的半导体器件，如瞬态抑制二极管（TVSdiode）。其中电压敏感电阻器按其使用材料的不同可分为碳化硅压敏电阻器、金属氧化物压敏电阻器（MOV）、钛酸钡压敏电阻器等，其中以氧化锌为主的金属氧化物压敏电阻是目前开关电源中最广泛使用的浪涌保护元器件。本文所分析的压敏电阻特指金属氧化物压敏电阻。
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典型浪涌保护元器件介绍
浪涌的保护元器件一般分为开关型和钳位型。压敏电阻属于钳位型的典型代表，而气体放电管属于开关型的典型代表。两者的区别也使得在使用时有极大不同。
2.1压敏电阻
压敏电阻实物和电路图中符号如图 1，位号一般为VR、RV、X。
压敏电阻在正常电压下呈现高阻抗状态。当外界浪涌电压超过压敏电阻电压时，压敏电阻会迅速击穿导通，工作电流急剧增大，将电压钳位 ；当外界电压恢复正常时，压敏电阻又恢复高阻抗状态（图 2）。
压敏电阻响应时间快，一般用于电网电源的相线与中线之间。但由于压敏电阻的电容值较大，不宜直接用于对高频电子系统的保护。应用于相线与地之间时也要充分考虑漏电流。
2.2气体放电管
气体放电管实物和电路图符号如图 3，位号一般为SG、SA。
气体放电管通常采用陶瓷封装，内部充满惰性气体，正常条件下是关断的。当浪涌电压到来时，气体放电管被击穿而发生弧光放电现象，由于弧光电压仅为几十伏，可在短时间内限制浪涌电压的进一步上升。
气体放电管通流能力比压敏电阻大，但响应时间较长。而且，气体放电管用于电网电源电路时，存在续流问题 ：即当气体放电管两端的浪涌电压消失后，电网电源电压仍然大于气体放电管的维持放电电压，使其持续放电，无法恢复到初始的高阻抗状态。所以气体放电管一般不单独用在电网电源电路中。
压敏电阻与气体放电管的性能比较见表 1。
2.3压敏电阻与气体放电管串联
在一些防浪涌性能比较好的电源上，经常见到将一个压敏电阻与气体放电管串联后使用在相线与地之间（如图 4），解决压敏电阻漏电流大的问题，使其正常工作条件下无漏电流 ；同时，也解决了气体放电管的续流问题。
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IEC 60950-1 标准要求解析
IEC60950-1:2013 的 1.5.9 条对压敏电阻的要求分析如下 ：
1）1.5.9.1 条要求一次电路使用的压敏电阻需符合附录 Q 的要求，包括气候类别、最大连续电压和脉冲电流。此时需要特别注意的是，仅仅满足 IEC61051-2:1991（GB/T10194-1997《电子设备用压敏电阻器第2部分：分规范浪涌抑制型压敏电阻器》）标准中要求的8/20μs电流脉冲的压敏电阻是不符合IEC60950-1:2013要求的；必须按照附录 Q 通过交替极性的 6kV/3kA电压电流组合脉冲（电压脉冲波形为 1.2/50μs，电流脉冲波形为 8/20μs）的压敏电阻才符合 IEC60950-1:2013 的要求。
2）1.5.9.2 条要求必须给压敏电阻串联一个具备适当分断能力的断路装置。这是因为压敏电阻的老化和暂态过电压破坏导致的压敏电阻失效模式多为短路，进而产生大短路电流，导致压敏电阻燃烧或爆裂。通常在开关电源中，使用熔断器来提供这种保护。熔断器通常安装在 A、B、C 三个位置（如图 5）。绝大多数的开关电源会在 A 位置使用熔断器（如图 6），及时熔断、保护产品。还有一部分在 B、C 位置同时使用熔断器（如图 7）。但一定要注意避免在 C 位置单独使用熔断器，此时压敏电阻没有串联的过流保护装置。
3）1.5.9.3 条允许压敏电阻桥接功能绝缘，位于 L、N 之间，这也是目前绝大多数电源产品中压敏电阻所应用的方式。
4）1.5.9.4 条规定了只有在标准列出的几种可靠接地的方式下，才可以用压敏电阻桥接基本绝缘。由于压敏电阻本身的漏电流过大，一旦设备的接地失效，就会对人产生电击危险。也就是说，对于目前信息技术设备中最常见的 A 型可插式设备，是不允许使用压敏电阻桥接基本绝缘的。
针对上文分析的压敏电阻与气体放电管串联使用的情况，IEC60950-1:2005/AMD2:2013 的 1.5.9.4 条增加了允许在 A 型可插式设备上，使用一个压敏电阻和一个气体放电管串联在基本绝缘上，但需要同时满足以下 2 个要求 ：
●压敏电阻要满足附录 Q 要求 ；
●气体放电管要满足基本绝缘的抗电强度，同时其外部的电气间隙和爬电距离也要满足基本绝缘要求。
5）1.5.9.5 条规定，不允许使用压敏电阻来桥接附加绝缘、双重绝缘和加强绝缘。
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检测实例
4.1不符合实例
笔者在日常型式试验中遇到的样品如图 8，样品为Ⅰ类电源适配器，A 型可插式设备，客户选用的压敏电阻证书中认证标准为 GB/T10194-1997。
结合上文分析，该样品不符合标准要求情况如下 ：
●压敏电阻没有经过 IEC60950-1:2013 附录 Q 组合脉冲考核，不符合 1.5.9.1 条要求 ；
●A 型可插式设备中，将压敏电阻连接在初级 - 地的基本绝缘上，不符合 1.5.9.4 条要求。
4.2实例整改方案
在与客户进行沟通后，不符合实例整改方案如下 ：
●选用通过 IEC60950-1:2013 附录 Q 试验的压敏电阻 ；
●增加一个合适规格的气体放电管，与压敏电阻串联后桥接在基本绝缘上。同时考虑到 IEC60950-1:2013对气体放电管抗电强度、电气间隙和爬电距离的要求，在气体放电管的选型上应满足以下条件：
首先，直流击穿电压（DC Spark-over Voltage）至少要大于基本绝缘的耐压值，即直流2 121V 以上。同时考虑到一般变压器初次级之间工作电压比较高，相应的基本绝缘所要求的耐压值也会增加，因此建议使用直流击穿电压为2500~3000V 的产品。
其次，需要考虑气体放电管两引脚之间外部的爬电距离和电气间隙。特别是当产品需要在高海拔地区进行销售时，电气间隙限值也因需要乘上海拔系数而更加严格（如 GB 4943.1-2011《信息技术设备安全第 1 部分：通用要求》）。对于通常的气体放电管，其外部电气间隙和爬电距离都可以满足基本绝缘要求。
笔者查阅了部分气体放电管规格书，有的规格书会直接标出产品符合 IEC60950-1 要求，可以供企业在选型时参考。
最终该产品整改后实物图和电路图如图 9（a）、图 9（b）。
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结语
信息技术设备产品中压敏电阻的选用不仅要满足元器件本身标准，更需要符合 IEC 60950-1:2013 要求，包括绝缘使用位置、抗电强度、电气间隙和爬电距离等要求。本文内容是笔者在日常检测中对压敏电阻相关检测项目的一些个人理解，希望能够帮助相关检测人员更好地理解标准，并按标准要求进行日常检测。
参考文献
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[2] IEC 61051-2: 1991 Varistors for use in electronic equipment - Part 2: Blank detail specification for zinc oxide surge suppression varistors. Assessment level E[S]. 1991.
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