1、浅谈陶瓷 PTC 加热器耐压击穿的原理及其预防措施摘要:介绍了陶瓷 PTC 加热器引起耐压击穿的原因、分析了陶瓷 PTC 加热器引起耐压击穿后带来的危害，最后给出几点预防的措施。关键词：陶瓷 PTC 加热器；耐压击穿。1 引言PTC 是一种半导体热敏陶瓷，是正温度系数热敏陶瓷的简称，属用途极广的新型材料，应用PTC 陶瓷电阻温度的非线性,可开发应用于各个领域，如陶瓷 PTC 波纹状加热器在空调器上的使用也越来越广泛，它的一大突出特点在于安全性能上，即遇风机故障停转时，PTC 加热器因得不到充分散热，其功率会自动急剧下降，此时加热器的表面温度维持在居里温度左右（一般在 250上下），从而不致产生
2、如电热管类加热器的表面“发红”现象。2 PTC 效应对于 BaTiO3 半导瓷的 PTC 效应，有多种理论模型予以解释，较为成熟并为多数研究者承认的有海望 Heywang 提出的表面势垒模型和丹尼尔斯 Daniels 等人提出的钡缺位模型。1963 年 G.Goodman 指出，单晶 BaTiO3 单半导体掺杂后，不显示 PTC 效应，而多晶 BaTiO3 陶瓷掺杂后，则有 PTC 效应，此后国际上常把 PTC 归入晶界现象。海望模型把产生 PTC 效应的原因归结为在多晶 BaTiO3 半导体材料的晶粒边界，存在一个由受主表面态引起的势垒层，材料的电阻率是由晶粒体电阻和晶粒表面态势垒两部分组成
3、，随着温度的上升，材料的电阻率将出现几个数量级的变化。陶瓷 PTC 热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，具有较低的电阻及半导特性。通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的：在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代，因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。对于 PTC 热敏电阻效应，也就是电阻值阶跃增高的原因，在于材料组织是由许多小的微晶构成的，在晶粒的界面上，即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒，阻碍电子越界进入到相邻区域中去，因此而产生高的电阻，这种效应在温度低时被抵消：在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以
4、自由地流动。而这种效应在高温时，介电常数和极化强度大幅度地降低，导致势垒及电阻大幅度地增高 ，呈现出强烈的 PTC 效应。3 陶瓷 PTC 的阻温特性（R-T 特性）电阻-温度特性通常简称阻温特性，指在规定的电压下，PTC 热敏电阻零功率电阻与电阻体温度之间的相互关系。因通电后 PTC 热敏电阻表面温度及阻值迅速发生急剧变化，一般难以测出通电状态下的阻温特性曲线，阻温特性曲线通常是通过把不通电的陶瓷 PTC 元件放入烘箱，通过调温稳定在各温度下测出对应电阻值，最后描出阻温特性曲线。R c 开关电阻 ；R p 最大工作电阻；R max 最大电阻；R mim 最小电阻T c 居里温度；T p 最大
5、工作温度；T max 最大温度；T min 最小温度表征阻温特性好坏的重要参数是温度系数 ，反映的是阻温特性曲线的陡峭程度。温度系数PTC 热敏电阻对温度变化的反应就越灵敏，即 PTC 效应越显著，其相应的 PTC 热敏电阻的性能也就越好，使用寿命就越长。PTC 热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。 = (lgR2-lgR1)/(T2-T1)，一般情况下，T1 取 Tc+15、T2 取 Tc+25来计算温度系数。4 陶瓷 PTC 的伏安特性（V-I 特性）电压-电流特性简称伏安特性， 它展示了 PTC 热敏电阻在加电气负载达到热平衡的情况下，电压与电流的相互依赖关系。当 PT
6、C 热敏电阻接通电源后，电流随电压的升高而迅速增大，当达到居里温度时，电流达到最大，这时 PTC 热敏电阻进入 PTC 区域，PTC 热敏电阻的伏安特性大致可分为三个区域：在 0-Vk 之间的区域称为线性区，此间的电压和电流的关系基本符合欧姆定律，不产生明显的非线性变化， 也称不动作区。在 Vk-Vmax 之间的区域称为跃变区，此时由于 PTC 热敏电阻的自热升温，电阻值产生跃变，电流随着电压的上升而下降，所以此区也称动作区。此区域电流和电压的剩积保持一定，显示出恒定功率特性，因恒定功率特性区域的电压范围广，即使电压变化，PTC 热敏电阻仍保持一定的温度。在 VD 以上的区域称为击穿区，此时电
7、流随着电压的上升而上升，PTC 热敏电阻的阻值呈指数型下降，于是电压越高，电流越大，PTC 热敏电阻的温度越高，阻值反而越低，很快就导致 PTC 热敏电阻的热击穿。5 PTCR 电加热器耐压击穿的机理、原因分析PTCR 电加热器击穿的原因主要分为：晶界击穿和热击穿。5.1 晶界击穿：由于部分晶粒异常长大，或晶粒分布不均匀造成部分晶界所承受的电压过大，而导致的击穿称为晶界击穿。1963 年 G.Goodman 指出，单晶 BaTiO3单半导体掺杂后，不显示 PTC 效应，而多晶 BaTiO3陶瓷掺杂后，则有 PTC 效应，此后国际上常把 PTC 归入晶界现象。 PTC 元件中，晶粒属于半导体，晶
8、界属于绝缘层，即势垒，外加电场主要施加于晶界层。晶粒尺寸越小，单位厚度上的晶界数量就越多，分配在每个晶界上的有效电压越小，从而压阻效应减小，耐压提高。若晶粒尺寸越不均匀，就有可能使陶瓷中存在一些较大晶粒或异常晶粒，他们形成了电阻率较低的通道，使耐压降低。在实际生产中适当加入某种添加剂和改善烧结工艺的升温条件，可有效杜绝异常晶粒的产生。实际生产中，通过 600V 的极间耐压测试能把存在异常晶粒的 PTC 陶瓷片检验出来。PTC BaTiO3陶瓷正常显微结构 PTC BaTiO 3陶瓷异常晶粒显微结构5.2 热击穿： PTC 元件的工作点越过阻温特性最高点，进入 NTC 阶段，导致温度急剧上升而引
9、起的击穿成为热击穿。影响热击穿的因素主要电压效应、工作温度、环境气氛和极间耐压测试方法有关。5.2 .1 电压效应：PTCR 的阻温特性曲线如图中的曲线 A 所示，即随着温度的升高，电阻值呈阶跃式增大，居里点为 250的 PTCR 在 320左右（称为拐点温度）达到最大值，约为几百千欧以上。到达拐点后如果温度再上升，则元件 R-T 特性呈现出 NTC 的特性，即温度升高，电阻下降。下图曲线 A 是 PTCR 在零功率的条件下测得的，即测试电流小于 2mA（该电流不会引起 PTC 的升温） ，是一种静态的 R-T 特性。实际上，当 PTC 加载电压后，电阻随温度变化的幅度（升阻比）会明显降低，阻
10、温特性曲线会趋于平缓，如图中的曲线 B。即所谓电压效应。当电压越高时，PTC的电压效应越明显。所以在 500V 耐压检测过程对于性能较差的 PTC 陶瓷片容易造成击穿，测试电压越高，击穿几率就越大。根据目前 PTC 的行业标准，一般出厂检验的耐压测试都是 500V 电压进行。lgR5.2.2 工作温度PTCR 施加一定的电压后，自身产生的热量与外界的热交换达到一个平衡状态，这种平衡状态的温度称为工作温度。影响工作温度的因数与施加的电压和散热条件有关。以居里点为 250的陶瓷 PTC 在一定的通风条件下测试为例，通 220V 电压时，陶瓷 PTC 工作温度为 258，随电压的升高，其工作温度也随
11、之升高，当通 500V 电压时，陶瓷 PTC 工作温度为 281，已接近 320左右的拐点温度，陶瓷 PTC 容易出现击穿。电压 220V 253V 330V 500V工作温度 258 260 268 281不通风条件下陶瓷 PTC 加热器的散热条件变恶劣，此时较高的耐压测试更容易接近拐点引起击穿故障率的比例增大，所以如额定电压 220V、居里点 250的陶瓷 PTC 加热器在不通风的条件下 500V 耐压测试，所以额定电压 220V、居里点 250 的 PTC 陶瓷片选型，常温 R25电阻通常选用范围lgR散热条件包括铝管、铝条的尺寸大小，波纹片间距的大小，PTC 电加热器在调空器内部的安装
12、位置、所处风道是否合理等因数。铝管、铝条尺寸越大散热条件越好、波纹片间距的适当减小以增加波纹片面积其散热条件有所提高，PTC 电加热器在调空器内部的安装角度越有利于气流经过波纹片其散热条件就越好，空调器的风道设计越有利于气流的循还对 PTC 的的散热条件就越好。另外功率的选型也是影响散热条件的关键因数，为提高加热器的发热功率，使用 PTC 元件数量增多，导致每片元件不能充分发挥其发热功率，内部工作温度提高。主要原因是因为 PTC 电加热器设计之处的尺寸大小确定后，其散热面积也就确定，随着 PTC 元件数量的增多，单位 PTC 元件的平均散热面积就减小，导致 PTC 陶瓷片的热密度增大。如 58
13、0mm 长的 PTCR 电加器，使用 32*12*2.4mm 陶瓷片，14 片功率可达到 900W，20 片功率却只能达到 1000W，数据显示 14 片单片功率是 64W，20 片的单片功率 50W，说明单位散热面积随着陶瓷片的增多而散热面积减小，热密度过高，工作环境变恶劣，容易引起击穿的几率提高。5.2.3 环境气氛PTC 的性质关键是来源于烧结的降温阶段，这是因为在 PTC 的烧结冷却过程中，晶界在氧气氛中吸收了充足的氧原子，提高了晶界的势垒层高度，因而产生了优良的 PTC 特性。在使用过程中，如果 PTC 所处的环境中因散热条件不良导致氧分压过低或周围产生了还原性气体（如氢气等） ，晶
14、界上高浓度的氧原子会逐步向低浓度的外界扩散、溢出，使 PTC 的晶界电阻变小，升阻比下降，PTC 特性就会严重恶化，最终导致耐电压性能变差，使 PTC 击穿。如加热器诶由于硅胶、聚酰亚胺膜、电极片上的油污等物质受热挥发，降低环境的氧分压浓度，使 PTC 特性不断恶化，经过一段时间后造成击穿。PTC 的内部结构是由晶粒和晶界组成的。PTC 的电阻也即由晶粒和晶界电阻组成的。常温下PTC 的电阻由晶粒决定，电阻很小，晶界是导通的。当温度超过居里温度后，晶界电阻剧增，最高可达几百千欧，甚至是兆欧级。这是因为在 PTC 的烧结冷却过程中，晶界在氧气氛中吸收了充足的氧原子，提高了晶界的势垒层高度，因而产
15、生了优良的 PTC 特性。 在使用过程中，如果 PTC 所处的环境中氧分压低，晶界上高浓度的氧原子会逐步向低浓度的外界扩散、溢出，使 PTC 的晶界电阻变小，升阻比下降，PTC 特性就会严重恶化，最终导致耐电压性能变差，使 PTC 击穿。如以下实验，分别使用样品 1-4 进行对比测试，R1 为测试前的冷态电阻， R2 为同等的通电条件下测试后的冷态电阻，经对比电阻变化率发现，随着散热条件的恶劣程度增加，实验后的电阻越小，电阻变化率越明显。样品 条件 电阻R1电阻R2电阻变化率R2/R11 裸露空气中的 PTC 片 289 290 100.35%2 PTC 片电极涂硅胶粘上电极片 383 369
16、 96.34%3 PTC 片电极涂硅胶粘上电极片、同时包上亚胺薄膜 406 345 84.98%4 PTC 片电极涂硅胶粘上电极片、包亚胺薄膜、同时装铝管 360 301 83.61%Dewitt 曾采用加电压后测量冷态电阻（室温电阻）的变化，以了解材料的耐压特性或施加电场后元件的损伤情况。其方法是：在 PTC 陶瓷元件上加电压，通 5s，停电 45s，测定 R25.可重复多次，如 25 次。5.2.4 极间耐压测试方法当施加电压后，电流使 PTC 陶瓷元件发热，陶瓷片的内核迅速达到高温，从 PTCR 阻温特性可知高温也即高阻，此时电压多施加于内核，热量自内层传向表层，而外表层仍处于较低温度，
17、即表面下层存在的温度梯度，表面层经受最大的应力，容易引起分层开裂，最终造成耐压击穿。6 结论6.1 陶瓷 PTC 片的质量优劣是决定耐压击穿的关键因数，应该选择可靠的供应商，同时对陶瓷PTC 片进行严格的来货筛选，选择高耐压性能、高温度系数 的 PTC 陶瓷片。PTCR 元件的质量优劣关键在于生产烧结的升温和降温工艺的控制，在烧结的升温阶段是形成显微结构的关键，升温速率的快慢或保温时间的长短，将影响晶核的生成、晶界迁移及物料的扩散，因此对晶粒异常生长、晶粒均匀化、晶粒及晶界的完整均有关，最终影响元件的耐压强度。而烧结的降温阶段是形成 PTC 陶瓷性质的关键，慢降温时氧扩散进入晶界，或 Mn 在
18、晶界的偏析均形成势垒，使 系数增大，形成优良的 PTC 效应。所以选择优质的 PTC 陶瓷片是保证 PTCR 电加热器耐压合格率的前提因素。选择高耐压性能、高温度系数 的 PTC 陶瓷片。6.2 PTCR 电加热器的设计上要充分考虑 PTC 的散热条件，使 PTCR 电加热功率在正常工作或耐压测试过程的工作温度离击穿区的拐点温度有足够的余量。首先 PTCR 电加热器在功率选型设计要考虑单片的散热面积，合理设计 PTCR 片的热密度，提高发热功率除增加 PTCR 陶瓷片数之外，还可以通过合理选择铝管、铝条的尺寸大小、波纹片间距，达到提高功率的目的。同时在空调器的安装设计上要考虑 PTC 电加热器的安装角度，使其处于最佳的散热条件，实践中散热有力的安装角度比不利的安装角度功率可以提高 4080%。6.3 为减少 PTC 加热器在发热过程与还原性气氛的接触，行业上有通过 PTC 陶瓷片边缘涂胶的方法以降低氧原子的扩散，提高耐压强度。6.4 耐压故障率的产生还与 PTCR 加热器生产商的生产工艺和质量控制有关。实践中发现耐压击穿的故障原因有：厂家生产时 PTC 陶瓷片的脱落引起极间短路、绝缘膜的破损、PTC 陶瓷片的挂铝、混用了额定耐压较低的 PTCR 元件（如 120V 的 PTC 使用在 250V 的电加热器上）等原因有关。
