IEC 61643-321:2001

NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
61643-321
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2001-12
Composants pour parafoudres
basse tension –
Partie 321:
Spécifications pour les diodes
à avalanche (ABD)
Components for low-voltage surge
protective devices –
Part 321:
Specifications for avalanche
breakdown diode (ABD)
Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC 61643-321:2001
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.
NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
61643-321
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2001-12
Composants pour parafoudres
basse tension –
Partie 321:
Spécifications pour les diodes
à avalanche (ABD)
Components for low-voltage surge
protective devices –
Part 321:
Specifications for avalanche
breakdown diode (ABD)
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– 2 – 61643-321 © CEI:2001
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS .4
1 Domaine d'application.6
2 Références normatives .6
3 Définitions et symboles .6
4 Fonction principale et description des diodes à avalanche .12
5 Conditions de fonctionnement .16
6 Méthodes d'essais normalisées et procédures.16
6.1 Critère normalisé d'essai de conception .16
6.2 Conditions d'essais.16
6.3 Tension de blocage V (voir figure 2).18
C
6.4 Courant crête de choc assigné I (voir figure 2) .18
PPM
6.5 Tension maximale de fonctionnement V
et tension maximale efficace
WM
de fonctionnement V (voir figure 3) .18
WMeff
6.6 Courant non passant I (voir figure 3) .20
D
6.7 Tension de claquage (d'avalanche) V (voir figure 4) .20
BR
6.8 Capacité C .22
j
6.9 Dissipation de puissance crête de choc assignée P .22
PPM
6.10 Courant de choc direct assigné I (voir figure 1c).22
FSM
6.11 Tension directe V .22
FS
6.12 Coefficient de température de la tension d'avalanche αV .24
BR
6.13 Correction en température (voir figure 5).24
6.14 Résistance thermique R , R ou R .24
thJA thJC thJL
6.15 Impédance thermique transitoire Z , Z ou Z .24
thJA thJC thJL
6.16 Dissipation de puissance moyenne assignée P .26
MAV
6.17 Tension crête de dépassement V (voir figure 7) .26
os
6.18 Durée de dépassement (voir figure 7) .26
6.19 Temps de réponse (voir figure 7) .26
7 Défaillances et modes de défaillance .30
7.1 Mode de défaillance dû à l'usure.30
7.2 Mode de défaillance en court-circuit.30
7.3 Mode de défaillance en circuit ouvert .30
7.4 Fonctionnement «sûr» .30
Figure 1 – Structure, condition de polarisation et caractéristiques V-I d'une diode
à avalanche unidirectionnelle .12
Figure 2 – Circuit d'essai pour la tension de blocage V , et le courant crête de choc I
C PP
et le courant de choc direct assigné I .18
FSM
Figure 3 – Circuit d'essai pour la vérification de la tension maximale de fonctionnement V ,
WM
du courant non passant I et de la tension maximale efficace de fonctionnement V .20
D WMeff
Figure 4 – Circuit d'essai pour la vérification de la tension de claquage (d'avalanche) V .20
BR
Figure 5 – Circuit d'essai pour la vérification de la tension directe V .22
FS
Figure 6 – Courbe de discontinuité de composants de diode à avalanche .26
Figure 7 – Courbe illustrant la tension de dépassement, le temps de réponse et
la durée de dépassement .28
Figure 8 – Forme d'onde de courant de choc .28

61643-321 © IEC:2001 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.3
1 Scope.7
2 Normative references .7
3 Definitions and symbols.7
4 Basic function and description for ABDs .13
5 Service conditions .17
6 Standard test methods and procedures.17
6.1 Standard design test criteria.17
6.2 Test conditions .17
6.3 Clamping voltage V (see figure 2).19
C
6.4 Rated peak impulse current I (see figure 2) .19
PPM
6.5 Maximum working voltage V and maximum working r.m.s. voltage V
WM WMrms
(see figure 3).19
6.6 Stand-by current I (see figure 3) .21
D
6.7 Breakdown (avalanche) voltage V (see figure 4) .21
BR
6.8 Capacitance C .23
j
6.9 Rated peak impulse power dissipation P .23
PPM
6.10 Rated forward surge current I (see figure 1c).23
FSM
6.11 Forward voltage V .23
FS
6.12 Temperature coefficient of breakdown voltage αV .25
BR
6.13 Temperature derating (see figure 5) .25
6.14 Thermal resistance R or R or R .25
thJA thJC thJL
6.15 Transient thermal impedance Z or Z or Z .25
thJA thJC thJL
6.16 Rated average power dissipation P .27
MAV
6.17 Peak overshoot voltage V (see figure 7) .27
OS
6.18 Overshoot duration (see figure 7) .27
6.19 Response time (see figure 7).27
7 Fault and failure modes .31
7.1 Degradation fault mode .31
7.2 Short-circuit failure mode.31
7.3 Open-circuit failure mode .31
7.4 "Fail-safe" operation .31
Figure 1 – Structure, bias condition and V-I characteristics for a unidirectional ABD .13
Figure 2 – Test circuit for clamping voltage V , peak impulse current I , and rated
C PP
forward surge current I .19
FSM
Figure 3 – Test circuit for verifying maximum working voltage V stand-by current I
WM D
and maximum working r.m.s. voltage V .21
WMrms
Figure 4 – Test circuit for verifying breakdown (avalanche) voltage V .21
BR
Figure 5 – Test circuit for verifying forward voltage V .23
FS
Figure 6 – Derating curve for ABD components.27
Figure 7 – Graph illustrating voltage overshoot, response time and overshoot duration.29
Figure 8 – Impulse current waveform .29

– 4 – 61643-321 © CEI:2001
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE
____________
COMPOSANTS POUR PARAFOUDRES BASSE TENSION –
Partie 321: Spécifications pour les diodes à avalanche (ABD)
AVANT-PROPOS
1) La CEI (Commission Électrotechnique Internationale) est une organisation mondiale de normalisation composée
de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a pour objet de
favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les domaines de
l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI, entre autres activités, publie des Normes internationales.
Leur élaboration est confiée à des comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le
sujet traité peut participer. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec la CEI, participent également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation
Internationale de Normalisation (ISO), selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux intéressés
sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les documents produits se présentent sous la forme de recommandations internationales. Ils sont publiés
comme normes, spécifications techniques, rapports techniques ou guides et agréés comme tels par les Comités
nationaux.
4) Dans le but d'encourager l'unification internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent à appliquer de
façon transparente, dans toute la mesure possible, les Normes internationales de la CEI dans leurs normes
nationales et régionales. Toute divergence entre la norme de la CEI et la norme nationale ou régionale
correspondante doit être indiquée en termes clairs dans cette dernière.
5) La CEI n’a fixé aucune procédure concernant le marquage comme indication d’approbation et sa responsabilité
n’est pas engagée quand un matériel est déclaré conforme à l’une de ses normes.
6) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Norme internationale peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La Norme internationale CEI 61643-321 a été établie par le sous-comité 37B: Composants
spécifiques aux parafoudres et aux dispositifs de protection contre les surtensions, du comité
d'études 37 de la CEI: Parafoudres
Le texte de cette norme est issu des documents suivants:
FDIS Rapport de vote
37B/59/FDIS 37B/62/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation de cette norme.
Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Le comité a décidé que le contenu de cette publication ne sera pas modifié avant 2005. A cette
date, la publication sera
• reconduite;
• supprimée;
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
61643-321 © IEC:2001 – 5 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
____________
COMPONENTS FOR LOW-VOLTAGE SURGE PROTECTIVE DEVICES –
Part 321: Specifications for avalanche breakdown diode (ABD)
FOREWORD
1) The IEC (International Electrotechnical Commission) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of the IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, the IEC publishes International Standards. Their preparation is
entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested in the subject dealt with may
participate in this preparatory work. International, governmental and non-governmental organizations liaising
with the IEC also participate in this preparation. The IEC collaborates closely with the International
Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by agreement between the two
organizations.
2) The formal decisions or agreements of the IEC on technical matters express, as nearly as possible, an
international consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation
from all interested National Committees.
3) The documents produced have the form of recommendations for international use and are published in the form
of standards, technical specifications, technical reports or guides and they are accepted by the National
Committees in that sense.
4) In order to promote international unification, IEC National Committees undertake to apply IEC International
Standards transparently to the maximum extent possible in their national and regional standards. Any
divergence between the IEC Standard and the corresponding national or regional standard shall be clearly
indicated in the latter.
5) The IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with one of its standards.
6) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this International Standard may be the subject
of patent rights. The IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard IEC 61643-321 has been prepared by subcommittee 37B: Specific
components for surge arresters and surge protective devices, of IEC technical committee 37:
Surge arresters.
The text of this standard is based on the following documents:
FDIS Report on voting
37B/59/FDIS 37B/62/RVD
Full information on the voting for the approval of this standard can be found in the report on
voting indicated in the above table.
This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 3.
The committee has decided that the contents of this publication will remain unchanged
until 2005. At this date, the publication will be
• reconfirmed;
• withdrawn;
• replaced by a revised edition, or
• amended.
– 6 – 61643-321 © CEI:2001
COMPOSANTS POUR PARAFOUDRES BASSE TENSION –
Partie 321: Spécifications pour les diodes à avalanche (ABD)
1 Domaine d'application
Cette partie de la CEI 61643 est applicable aux diodes à avalanche (ABD) qui représentent un
type de composants des parafoudres (appelés ci-après SPDC) utilisés lors de la conception et
la réalisation des parafoudres connectés aux réseaux basse tension de puissance, de
transmission et de communication. Les spécifications d'essais de la présente norme
concernent les diodes à avalanche simples à deux bornes. Toutefois, les diodes à avalanche
multiples peuvent être intégrées dans un seul boîtier défini comme un ensemble de diodes.
Chaque diode de cet ensemble peut être testée selon cette spécification.
Cette norme contient une série de critères d'essais pour la détermination des caractéristiques
électriques des diodes à avalanche. A partir des méthodes normalisées d'essais décrites ci-
après, les caractéristiques de fonctionnement et les valeurs assignées des diodes à avalanche
peuvent être établies et vérifiées pour des conceptions particulières.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence
qui y est faite, constituent des dispositions valables pour la présente partie de la CEI 61643.
Pour les références datées, les amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications
ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes aux accords fondés sur la présente partie
de la CEI 61643 sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les éditions les plus
récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la
dernière édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de la CEI et de
l'ISO possèdent le registre des Normes internationales en vigueur.
CEI 60068 (toutes les parties), Essais d’environnement
CEI 60364 (toutes les parties), Installations électriques des bâtiments
CEI 60364-3:1993, Installations électriques des bâtiments – Partie 3: Détermination des
caractéristiques générales
CEI 60721 (toutes les parties), Classification des conditions d'environnement
CEI 60747-2:2000, Dispositifs à semiconducteurs – Dispositifs discrets et circuits intégrés –
Partie 2: Diodes de redressement
CEI 60749:1996, Dispositifs à semiconducteurs – Essais mécaniques et climatiques
3 Définitions et symboles
Pour les besoins de la présente norme les définitions et symboles suivants s'appliquent.
NOTE Ces définitions sont applicables à un type de composants des parafoudres appelés diodes à avalanche,
présentant des caractéristiques symétriques ou non en tension-courant (V-I). Elles s'appliquent aux éléments
unidirectionnels (voir figure 1). Si la diode à avalanche est considérée comme bidirectionnelle, les définitions du
troisième quadrant sont applicables dans les deux sens de la courbe caractéristique V-I.
3.1
diode à avalanche ABD
composant destiné à limiter les tensions transitoires et à écouler les courants de foudre. C'est
une diode à deux bornes qui peut comprendre de multiples éléments présentant une borne
commune
61643-321 © IEC:2001 – 7 –
COMPONENTS FOR LOW-VOLTAGE SURGE PROTECTIVE DEVICES –
Part 321: Specifications for avalanche breakdown diode (ABD)
1 Scope
This part of IEC 61643 is applicable to avalanche breakdown diodes (ABDs) which represent
one type of surge protective device component (hereinafter referred to as SPDC) used in the
design and construction of surge protective devices connected to low-voltage power
distribution systems, transmission, and signalling networks. Test specifications in this
standard are for single ABDs consisting of two terminals. However, multiple ABDs may be
assembled within a single package defined as a diode array. Each diode within the array can
be tested to this specification.
This standard contains a series of test criteria for determining the electrical characteristics of
the ABD. From the standard test methods described herein, the performance characteristics
and ratings of the ABD can be verified or established for specific packaged designs.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text,
constitute provisions of this part of IEC 61643. For dated references, subsequent amend-
ments to, or revisions of, any of these publications do not apply. However, parties to
agreements based on this part of IEC 61643 are encouraged to investigate the possibility of
applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated
references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of IEC
and ISO maintain registers of currently valid International Standards.
IEC 60068 (all parts), Environmental testing
IEC 60364 (all parts), Electrical installations of buildings
IEC 60364-3:1993, Electrical installations of buildings – Part 3: Assessment of general
characteristics
IEC 60721 (all parts), Classification of environmental conditions
IEC 60747-2:2000, Semiconductor devices – Discrete devices and integrated circuits – Part 2:
Rectifier diodes
IEC 60749:1996, Semiconductor devices – Mechanical and climatic test methods
3 Definitions and symbols
For the purpose of this part of IEC 61643, the following definitions and symbols apply.
NOTE These definitions apply to one type of SPDC known as an ABD, having both symmetrical and asymmetrical
voltage-current (V-I) characteristics. Such definitions are for a unidirectional element (see figure 1). If the ABD is
considered bidirectional, definitions in the third quadrant will apply in both directions of the V-I characteristic curve.
3.1
avalanche breakdown diode ABD
component intended to limit transient voltages and divert surge currents. This is a two-
terminal diode that may be packaged with multiple elements having a common terminal

– 8 – 61643-321 © CEI:2001
3.2
tension de blocage V
C
tension crête mesurée dans la diode à avalanche lors du passage du courant crête de choc
assigné I avec une forme d'onde spécifiée
PP
NOTE En raison des effets thermiques, réactifs ou autres, la tension crête et le courant crête de choc ne
coïncident pas nécessairement dans le temps. Elle est aussi désignée V .
CL
3.3
courant crête de choc assigné I
PPM
valeur assignée maximale du courant crête de choc I pouvant être appliquée sans destruc-
PP
tion de la diode
NOTE L'onde de choc pour caractériser la diode est 10/1 000 μs, sauf spécification contraire.
3.4
tension maximale de fonctionnement (tension maximale continue) V
WM
tension maximale crête de fonctionnement en tension maximale continue pouvant être
appliquée de manière permanente à la diode à avalanche sans effets de dégradation ou effets
nuisibles. Pour des tensions alternatives, la tension maximale de fonctionnement efficace
est V
WMeff
NOTE Elle est aussi désignée V (assignée maximale) et appelée tension assignée de régime permanent.
RM
3.5
courant non passant I
D
courant maximal s'écoulant dans la diode à avalanche sous la tension maximale de fonction-
nement, pour une température spécifiée
NOTE Il est aussi appelé courant inverse de fuite I .
R
3.6
tension de claquage (d'avalanche) V
BR
tension mesurée dans la diode à avalanche sous un courant de choc spécifié continu I
T
(ou I ) de la courbe caractéristique V-I au point d'avalanche ou à proximité
BR
3.7
capacité C
j
capacité entre deux bornes de la diode à avalanche mesurée à une fréquence et à une polarité
spécifiées
NOTE Elle est aussi désignée C.
3.8
dissipation de puissance crête de choc assignée P
PPM
dissipation de puissance crête de choc résultant du produit du courant crête de choc assigné
I par la tension de blocage V
PPM C
P = I × V
PPM PPM C
NOTE Elle est aussi désignée P .
P
3.9
courant de choc direct assigné I
FSM
courant crête maximal pour une demi-onde sinusoïdale de 8,3 ms ou 10 ms, n'entraînant pas
de défaut du composant. (Cette définition ne s'applique qu'aux diodes à avalanche uni-
directionnelles.)
61643-321 © IEC:2001 – 9 –
3.2
clamping voltage V
C
peak voltage measured across the ABD during the application of a peak impulse current I
PP
for a specified waveform
NOTE Due to the thermal, reactive, or other effects, peak voltage and peak pulse current are not necessarily
coincident in time. Also shown as V .
CL
3.3
rated peak impulse current I
PPM
rated maximum value of peak impulse current I that may be applied without causing diode
PP
failure
NOTE The impulse waveshape used for diode characterization is 10/1 000 μs unless otherwise specified.
3.4
maximum working voltage (maximum d.c. voltage) V
WM
maximum peak working or d.c. voltage which may be continuously applied to the ABD without
degradation or damaging effects. For a.c. applied voltages, the maximum working r.m.s.
voltage is V
WMrms
NOTE  It is also shown as V (rated maximum) and known as rated stand-off voltage.
RM
3.5
stand-by current I
D
maximum current that flows through the ABD at maximum working voltage for a specified
temperature
NOTE Also shown as I for reverse leakage current.
R
3.6
breakdown (avalanche) voltage V
BR
voltage measured across the ABD at a specified pulsed d.c. current I (or I ) on the V-I
T BR
characteristics curve at, or near, the place where the avalanche occurs
3.7
capacitance C
j
capacitance between two terminals of the ABD measured at a specific frequency and bias
NOTE Also shown as C.
3.8
rated peak impulse power dissipation P
PPM
peak pulse power dissipation resulting from the product of rated peak impulse current I
PPM
and clamping voltage V
C
P = I × V
PPM PPM C
NOTE Also shown as P .
P
3.9
rated forward surge current I
FSM
maximum peak current for an 8,3 ms or 10 ms half-sine wave without causing device failure.
(This definition applies to unidirectional ABDs only.)

– 10 – 61643-321 © CEI:2001
3.10
tension directe V
FS
tension crête mesurée dans la diode à avalanche pour un courant spécifié positif de choc I .
FS
(Cette définition ne s'applique qu'aux diodes à avalanche unidirectionnelles.)
NOTE Elle est aussi désignée V .
F
3.11
coefficient de température de la tension d'avalanche ααV
αα
BR
rapport entre la variation de la tension d'avalanche V et la variation de température
BR
NOTE Il est exprimé soit en millivolts par degré Kelvin soit en pourcentage par degré Kelvin (mV/K ou %/K).
3.12
correction en température
correction apportée au-dessus d'une température spécifiée de base, soit pour un courant crête
de choc, soit pour une puissance crête de choc
NOTE Elle est exprimée en pour-cent du courant ou de la puissance.
3.13
résistance thermique R , R , R
thJA thJC thJL
jonction à l'air ambiant, au boîtier ou à la borne pour une élévation de température en
pourcentage de la puissance d'entrée, exprimée en degrés Kelvin par watt (K/W)
3.14
impédance thermique transitoire Z , Z , Z
thJA thJC thJL
variation de la différence entre la température virtuelle de la jonction et la température d’un
point ou d’une région spécifique de référence (ambiante, boîtier ou liaison) à la fin de
l’intervalle de temps. Cette variation est divisée par la variation de la fonction de pas de la
dissipation de puissance au début du même intervalle de temps qui engendre la variation de la
différence de température
NOTE  La résistance thermique s’exprime en degrés Kelvin par watt (K/W).
3.15
moyenne assignée de la dissipation de puissance P
M(AV)
moyenne assignée de la dissipation de puissance dans le dispositif due à des chocs répétitifs
pour un courant et une température spécifiés n'entraînant pas la défaillance du dispositif
3.16
tension crête de dépassement V
OS
tension supérieure à la tension de blocage V du dispositif pour un courant donné apparais-
C
sant si des ondes de courant de durée de montée virtuelle inférieure ou égale à 10 μs sont
appliquées
NOTE Cette valeur peut s’exprimer comme un pourcentage de la tension de blocage V pour une forme d’onde de
C
courant 10/1 000 μs.
3.17
courant continu d'essai pulsé I
T
courant d'essai pour la mesure de la tension de claquage V . Il est défini par le constructeur
BR
et exprimé en milliampères avec une durée de pulsation inférieure à 40 ms
NOTE Il est aussi désigné I .
BR
3.18
courant crête de choc I
PP
valeur crête du courant de choc appliquée à la diode à avalanche pour déterminer la tension de
blocage V pour une forme d'onde spécifiée
C
61643-321 © IEC:2001 – 11 –
3.10
forward voltage V
FS
peak voltage measured across the ABD for a specified forward surge current I . (This defi-
FS
nition applies to unidirectional ABDs only.)
NOTE Also shown as V .
F
3.11
temperature coefficient of breakdown voltage ααααV
BR
ratio of the change in breakdown voltage V to changes in temperature
BR
NOTE Expressed as either millivolts per degree Kelvin or per cent per degree Kelvin (mV/K or %/K).
3.12
temperature derating
derating above a specified base temperature for either peak impulse current or peak impulse
power
NOTE Expressed in percentage of the current or power.
3.13
thermal resistance R , R , R
thJA thJC thJL
junction to ambient, case or lead terminal temperature rise per unit input of applied power
expressed as degrees Kelvin per watt (K/W)
3.14
transient thermal impedance Z , Z , Z
thJA thJC thJL
change in the difference between the virtual junction temperature and the temperature of a
specific reference point or region (ambient, case or lead) at the end of a time interval. This
change is divided by the step function change in power dissipation at the beginning of the
same time interval which causes the change of temperature difference.
NOTE Thermal resistance is expressed as degrees Kelvin per watt (K/W).
3.15
rated average power dissipation P
M(AV)
rated average power dissipation in the device due to repetitive pulses at a specified current
and temperature without causing device failure
3.16
peak overshoot voltage V
OS
excess voltage above the clamping voltage V of the device for a given current that occurs
C
when current waves of less than, or equal to, 10 μs virtual front duration are applied
NOTE This value may be expressed as a percentage of the clamping voltage V for a 10/1 000 μs current wave.
C
3.17
pulsed d.c. test current I
T
test current for measurement of the breakdown voltage V . This is defined by the manu-
BR
facturer and usually given in milliamperes with a pulse duration of less than 40 ms
NOTE Also shown as I .
BR
3.18
peak impulse current I
PP
peak impulse current value applied across the ABD to determine the clamping voltage V for
C
a specified waveshape
– 12 – 61643-321 © CEI:2001
4 Fonction principale et description des diodes à avalanche
Une diode à avalanche est essentiellement une simple jonction de semiconducteur P/N
consistant en une anode (P) et de cathode (N) (voir figure 1a). Dans les applications en
courant continu, cette diode à avalanche est polarisée en inverse avec un potentiel positif sur
la cathode (N) de l'élément (voir figure 1b).
N P
N P
IEC  2456/01
+ –
IEC  2457/01
Figure 1a – Structure Figure 1b – Condition de polarisation
Quadrant 1
+i
I
FSM
+
–
I
FS
P – N
V V V
C BR WM
+v
–v
I
D
V
FS
I
T
– +
P – N
I
PP
I
PPM
Quadrant 3
–i
IEC  2458/01
Figure 1c – Caractéristiques V-I
Connexions et alimentations
Caractéristiques d'avalanche Caractéristiques directes
Tension maximale de fonctionnement Tension directe
V V
WM FS
I Courant non passant I Courant positif de choc
D FS
V Tension de blocage I Courant de choc direct assigné
C FSM
V Tension de claquage
BR
I Courant crête de choc
PP
Courant crête de choc assigné
I
PPM
I Courant continu d'essai pulsé
T
NOTE Pour les diodes à avalanche bidirectionnelles, les caractéristiques V-I du quadrant 3 sont données au
quadrant 1.
Figure 1 – Structure, condition de polarisation et caractéristiques V-I
d'une diode à avalanche unidirectionnelle

61643-321 © IEC:2001 – 13 –
4 Basic function and description for ABDs
The avalanche breakdown diode (ABD), in its basic form, is a single semiconductor P/N
junction consisting of an anode (P) and a cathode (N) (see figure 1a). In d.c. applications, this
ABD is reverse biased in such a way that a positive potential is applied to the cathode (N)
side of the element (see figure 1b).
N P
N P
IEC  2456/01
+ –
IEC  2457/01
Figure 1a – Structure Figure 1b – Bias condition
Quadrant 1
+i
I
FSM
+
–
I
FS
P – N
V V V
C BR WM
+v
–v
I
D
V
FS
I
T
– +
P – N
I
PP
I
PPM
Quadrant 3
–i
IEC  2458/01
Figure 1c – V-I characteristics
Connections and supplies
Avalanche parameters Forward parameters
V Maximum working voltage V Forward voltage
WM FS
I Stand-by current I Forward surge current
D FS
V Clamping voltage I Rated forward surge current
C FSM
V Breakdown voltage
BR
I Peak impulse current
PP
I Rated peak impulse current
PPM
I Pulsed d.c. test current
T
NOTE For bidirectional ABDs, the V-I characteristics of Quadrant 3 are shown in Quadrant 1.
Figure 1 – Structure, bias condition and V-I characteristics for a unidirectional ABD

– 14 – 61643-321 © CEI:2001
Si la tension appliquée V est supérieure à la tension de claquage d'avalanche V de la
o BR
jonction P/N, la diode à avalanche commence à conduire un courant supérieur au courant non
passant I . Lors d'une tension transitoire de choc, la diode à avalanche limitera la tension à
D
une valeur définie.
L'objectif essentiel de la diode à avalanche est de limiter les tensions transitoires et d'écouler
les courants de choc. En raison des caractéristiques différentes des diodes à avalanche dues à
leur mise en boîtier, seuls les paramètres des diodes nécessaires à leur choix lorsqu'ils sont
utilisés dans des parafoudres sont indiqués ci-après. D'autres paramètres peuvent être
importants pour des applications particulières et des choix, mais ne sont pas identifiés ici.
Les diodes à avalanche peuvent se présenter comme des diodes multiples dans un seul
boîtier. Des boîtiers à diodes multiples peuvent contenir des puces individuelles de diodes à
avalanche assemblées en série ou en parallèle afin de réaliser des caractéristiques ou des
valeurs assignées voulues des composants des parafoudres. Des diodes à avalanche dans
cette configuration sont considérées comme un seul composant de parafoudre. Des jonctions
multiples dans un seul boîtier peuvent aussi être utilisées comme des diodes à avalanche
indépendantes pour la protection de lignes multiples. Selon la présente norme, chaque diode
de l'ensemble doit être vérifiée individuellement.
La diode à avalanche polarisée en inverse présente deux modes de fonctionnement: non
passant (impédance élevée) ou passant (impédance relativement faible), (voir figure 1c
quadrant 3). A l'état non passant, la diode à avalanche est traversée par un courant, défini
comme courant non passant. Ce courant varie avec la température de la jonction (ou
ambiante). Le début de l'avalanche est repéré par la transition d'une haute impédance (non
passant) à une faible impédance (passant) dans la caractéristique tension-courant de la diode
à avalanche. A l'état passant, la diode laisse passer des courants transitoires très élevés et
maintient une tension de blocage relativement faible au-dessus de la tension d'avalanche de la
jonction du semiconducteur. La figure 1 représente une diode à avalanche unidirectionnelle. La
diode peut être unidirectionnelle ou bidirectionnelle. Les diodes bidirectionnelles présenteront
des courbes analogues avec des polarités opposées, dans le premier quadrant et dans le
troisième quadrant.
Dans la figure 1c, la courbe V-I du quadrant 1 correspond à une polarisation positive (tension
positive appliquée sur la partie P de la jonction du semiconducteur) représentant une diode à
avalanche unidirectionnelle. Dans ce cas, la diode à avalanche unidirectionnelle présente des
caractéristiques analogues à une jonction P/N polarisée en inverse. En raison de la valeur plus
faible de la tension de blocage en condition directe, le courant transitoire peut être beaucoup
plus élevé. Toutefois, la tension directe sera élevée en présence d’un courant transitoire élevé
présentant une forme d’onde spécifiée. Cette tension est fonction de la surface de la jonction
et de la résistance du matériau du semiconducteur.
La tension d'avalanche montre des modifications linéaires avec variations des paramètres de
jonction ou de température ambiante telles que décrites par le coefficient de température de
la tension d'avalanche. La connaissance des valeurs de la tension de blocage du semi-
conducteur mesurée à 25 °C et du coefficient de température de la tension de claquage
du semiconducteur peut être utilisée pour déterminer la tension réelle pour les autres
températures.
61643-321 © IEC:2001 – 15 –
When the applied voltage V is greater than the breakdown (avalanche) voltage V of the
o BR
P/N junction, the ABD starts to conduct a current greater than the stand-by current I . During
D
a transient voltage impulse, the ABD will limit the voltage to some finite value.
The primary intent of the ABD is to limit transient voltages and divert surge currents. Because
ABD’s may differ in their characteristics due to packaging, only those diode parameters that
are necessary for selection when used in the surge protective device design are listed here.
Other parameters may be important for specific applications and selection but are not
identified here.
The ABDs may be configured in such a way that there are multiple diodes within a single
package. Multiple diode packages may contain individual ABD chips assembled either in
series or parallel to achieve a desired SPDC characteristic or rating. ABDs of this
configuration are considered as a single SPDC. Multiple junctions within a single package can
also be used as independent ABDs for multiple line protection. Each diode within the array of
diodes shall be tested individually according to this standard.
When reversed biased, the ABD has two operating modes: stand-by (high impedance) or
clamping (relative low impedance) (see figure 1c, third quadrant). The current through the
ABD in the stand-by condition is called the stand-by current. This current varies with junction
(or ambient) temperature. The initiation of avalanche breakdown is marked by a transition
from a high impedance (stand-by) to low impedance (clamping) in the ABD voltage-current
characteristics. In this ‘on’ condition, the diode conducts high transient currents and maintains
a relatively low clamping voltage above the breakdown voltage of the semiconductor junction.
Figure 1 is a unidirectional ABD. ABDs can be unidirectional or
...