當(dāng)單級(jí)SPD不能將入侵的沖擊過(guò)電壓抑制到規(guī)定保護(hù)電平以下時(shí)，就要采用含有二級(jí)、三級(jí)或更多級(jí)非線性抑制元件的SPD。

　　非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實(shí)用中RV1也可以使氣體放電管，Rv2也可以是穩(wěn)壓管或浪涌抑制二極管(TVS管)。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導(dǎo)通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2> Un1。

　　有人認(rèn)為，當(dāng)入侵沖擊波加在X-E端子上時(shí)，總是第一級(jí)RV1先導(dǎo)銅，然后才是第二級(jí)。實(shí)際上，第一級(jí)或第二級(jí)先導(dǎo)通都是可能的，這取決于以下因素：

　　(1) 入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速(di/dt);

　　(2) 非線性元件Rv1和RV2的導(dǎo)通電壓Un1和Un2的相對(duì)大小;

　　(3) 隔離阻抗Zs的性質(zhì)是電阻還是電感，以及它們的大小。

　　當(dāng)Zs為電阻Rs時(shí)，多數(shù)情況是第二級(jí)先導(dǎo)通。第二級(jí)導(dǎo)通后，當(dāng)沖擊電流I上升到iRs+Un2 ≥Un1是第一級(jí)才導(dǎo)通。第一級(jí)導(dǎo)通后，由于在大電流下第一級(jí)的等效阻抗比Rs加第二級(jí)的等效阻抗之和小得多。因而大部分沖擊電流經(jīng)第一級(jí)泄放，而經(jīng)第二級(jí)泄放的電流則要小得多。若第一級(jí)為氣體放電管，它導(dǎo)通后的殘壓通常低于第二級(jí)的導(dǎo)通電壓Un2，于是第二級(jí)截止，剩余沖擊電流全部經(jīng)第一級(jí)氣體放電管泄放。

　　若Zs為電感Ls，且侵入電流一開始的上升速度相當(dāng)快，條件Ls(di/dt)+Un2>Un1得到滿足,則第一級(jí)先導(dǎo)通。若第一級(jí)導(dǎo)通時(shí)的限制電壓為Uc1(1),則以后隨著入侵沖擊電流升速(di/dt)的下降，當(dāng)條件UC1(1) ≥Ls(di/dt)+Un2得到滿足時(shí)，第二級(jí)才導(dǎo)通。第二級(jí)導(dǎo)通后，將輸出端Y的電壓，抑制在一個(gè)較低的電平上。

　　四、不同波形沖擊電流的等效變換

　　SPD的沖擊電流試驗(yàn)會(huì)碰到諸如8/20、10/350、10/1000或2ms等不同波形，那么從對(duì)于SPD的破壞作用等效的角度看，如何進(jìn)行不同波形沖擊電流的峰值換算，有人主張按電荷量相等的原則進(jìn)行換算。按照這一原則，只要將兩種不同波形的電流波對(duì)時(shí)間積分，求得總的電荷量，令兩個(gè)電荷量相等，就可得到兩種波的電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法與泄放沖擊電流的元件沒有一點(diǎn)關(guān)系，顯然是不切合實(shí)際的。還有人主張按能量相等的原則進(jìn)行換算。

　　按照這一原則，不僅要知道兩個(gè)電流波形，還要知道當(dāng)這兩個(gè)電流波流入電壓抑制元件時(shí)，該元件兩端限制電壓的波形，然后將各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電流值和電壓值相乘而得出功率波，再將功率波對(duì)時(shí)間積分得出能量，令兩個(gè)能量值相等，就可得到兩個(gè)電流峰值之間的比例關(guān)系了。這種變換方法考慮到了具體的非線性元件，但沒有考慮沖擊電流的熱效應(yīng)和電流值很大時(shí)的電動(dòng)力效應(yīng)。實(shí)際上就氧化鋅壓敏電阻而言，它能承受的8/20沖擊電流的能量比承受2ms時(shí)的能量大。該圖表明了厚度為1.3mm的早期壓敏電阻樣品能承受的沖擊電流能量隨電極面積的變化?？梢?，能量相等的原則至少對(duì)壓敏電阻是不適用的。

　　對(duì)氧化鋅壓敏電阻在大電流下破壞機(jī)理的研究得出了下述結(jié)果[4];在大電流作用下，壓敏電阻的破壞模式有兩種，當(dāng)大沖擊電流的時(shí)間寬度不大于50μs時(shí)(例如4/10和8/20波)，電阻體開裂;當(dāng)電流值較小而時(shí)間寬度大于100μs時(shí)(例如10/350、10/1000和2ms波)，電阻體穿孔。兩種不同破壞模式可以這樣解釋：時(shí)間很短的大電流在電阻體內(nèi)產(chǎn)生的熱量來(lái)不及向周圍傳導(dǎo)，是個(gè)絕熱過(guò)程，加上電阻體的不均勻使電流的分布不均勻，這樣電阻體不同部位之間的溫差很大，形成很大的熱應(yīng)力而使電阻體開裂。當(dāng)沖擊電流的作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電阻體不均勻造成的電流集中，使電阻體材料熔化而形成穿孔。

　　使用壓敏電阻體破壞的電流密度J(A·cm-2)與沖擊電流波的時(shí)間寬度r(μs)之間的關(guān)系，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中大體為一條斜率為負(fù)值的直線，因而可用下面的方程式來(lái)表達(dá)：

　　logJ=C-Klogr

　　式中，C和K是與具體器件相關(guān)的兩個(gè)常數(shù)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料推算出來(lái)，于是就可以計(jì)算出這種產(chǎn)品能夠承受的不同波形沖擊電流的峰值了。

　　綜上所述，對(duì)于以壓敏電阻作為非線性抑制元件的SPD，為進(jìn)行不同波形沖擊電流之間的等效變換，應(yīng)以兩種不同波形(例8/20、10/350)的沖擊電流對(duì)所選定的壓敏電阻進(jìn)行試驗(yàn)，分別得出使試樣失效的兩個(gè)電流峰值，代入上式，求得常數(shù)C和K的具體數(shù)值，然后利用該公式進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)式不一定進(jìn)行到樣品開裂或穿孔，可將壓敏電壓變化達(dá)到-10%作為失效判據(jù)。

　　應(yīng)當(dāng)指出，就是不同企業(yè)、不同批次的壓敏電阻器，盡管尺寸規(guī)格相同，但實(shí)際能承受的沖擊電流(能量)的水平可能相差很大，因此必須對(duì)每批供貨逐批抽樣檢驗(yàn)。