서지전류에 의한 ZnO 바리스터의 열화에 관한 연구

Abstract

반도체 소자의 낮은 절연레벨 및 집적도의 증가로 저전력 전기전자기기의 서지내성이 취약해지고 있다. 서지의 침입 시 ZnO 바리스터는 주요 보호소자이지만 반복 보호동작으로 인하여 열화가 진전되며, 최종적으로 단락 및 지락을 발생시킨다. 그러므로 바리스터의 건전성 평가가 요구되고 있다. 바리스터 열화에 대한 기준은 기준전압 10% 이상의 변화이지만 이는 운전중 측정이 불가능하다.

본 논문에서는 8/20µs 서지전류로 바리스터의 가속열화 실험을 수행하였으며, 서지에 대한 흡수 에너지와 전기적 특성의 상관관계를 분석하였다. 기준전압의 10% 변화에 대응하는 전기적 파라미터는 운전중 열화상태 관측이 가능한 전체 누설전류, 저항분 누설전류, 전체 누설전류의 제 3조파 성분 및 왜형률이다. 실험 결과로부터 열화진전은 서지전류의 크기보다 단위체적당 에너지 흡수량에 의존하였다. 누설전류의 성분 중 전체 누설전류는 50% 내외로 증가하였지만, 저항분 누설전류 및 고조파 성분은 100%에서 500% 이내까지 증가하였다. 특히, 제 3조파 성분은 저항분 누설전류 대비 절댓값이 크므로 측정오차의 최소화가 가능하며, 열화진전에 따른 저항분 누설전류의 증가 경향과 동일하였다.|With the increasing use of low insulation level semiconductors, electrical and electronics devices have become more vulnerable to surge voltage and current. Recently, the zinc oxide(ZnO) varistor is widely used to protect devices from surge. However, it deteriorates gradually by repetitive protection operation and results in the short-circuit and ground faults. Therefore, the performance evaluation of the varistors is required. The criterion for varistor deterioration is only a change of more than 10% in the reference voltage, which is impossible to be measured during operation.

In this thesis, an accelerated aging experiment was carried out by appling the 8/20µs surge current to varistors and the correlation between the absorption energy and electrical characteristics was analyzed. The electrical parameters corresponding to the 10% change in the reference voltage were the total leakage current, the resistive leakage current, the third harmonic component of the total leakage current, and the total harmonic distortion, all of which can be observed in the deterioration state during operation. From the results, the degradation progress was depended on the energy absorption amount per unit volume rather than the magnitude of the surge current.

Among the parameters, the total leakage current increased about 50%, but the resistive leakage current and harmonic component increased from 100% to 500%. In particular, since the third harmonic component had a large measured value compared to the resistive leakage current, it was possible to minimize the measurement error. In addition, it had the same trend as the increase in the resistive leakage current by the deterioration progress.