雙電流路徑結(jié)構(gòu)的大電流自控制熔斷器技術(shù)

0 引言

自控制熔斷器作為一種集過電流保護和過電壓保護功能于一體的二級保護元件，得到越來越多的發(fā)展與重視^[1]。目前市場上廣泛使用的自控制熔斷器多為小電流（12 A、15 A），如應(yīng)用于手機、平板電腦等便攜式移動設(shè)備中，而大電流應(yīng)用領(lǐng)域如儲能、兩輪車，因沒有大電流規(guī)格的自控制熔斷器（最大45 A），常常采用多顆并聯(lián)的形式使用^[2]。

對于市場應(yīng)用而言，多顆小電流自控制熔斷器并聯(lián)雖能滿足部分大電流終端設(shè)備應(yīng)用場景（如90 A 左右的兩輪車），但較難滿足超大電流應(yīng)用領(lǐng)域，如200 A及以上的儲能領(lǐng)域^[3]。同時多顆并聯(lián)將造成設(shè)計板面大，設(shè)計難度高，對元件性能一致性的擔憂。因此，市場迫切需要一種大電流的自控制熔斷器。

常規(guī)設(shè)計大電流的自控制熔斷器的方式是增大產(chǎn)品尺寸^[4]。而同等尺寸下，要么采用更低電阻率的導體材料；要么通過采用更大更厚的保險絲組件，使得產(chǎn)品的內(nèi)阻更低。首先，因產(chǎn)品使用的需求，產(chǎn)品既要滿足高于260 ℃ 以上耐熱性安裝需求，同時又希望產(chǎn)品觸發(fā)保護時快速熔斷，保險絲組件具有盡可能低的熔點^[5]。此時保險絲組件的熔點需要260 ℃~320 ℃，但處于該溫度范圍的保險絲組件電阻率較高，很難找到熔點范圍內(nèi)且電阻率較低的保險絲組件^[6]。因此，采用更大更厚的保險絲組件是較為可行方案，但一味地增大增厚保險絲組件將會給將為產(chǎn)品快速熔斷增大風險。

因此，有必要設(shè)計一種全新的產(chǎn)品方案，開發(fā)出滿足應(yīng)用于大電流的自控制熔斷器。

1 現(xiàn)有產(chǎn)品并聯(lián)測試測試

1.1 現(xiàn)有規(guī)格產(chǎn)品并聯(lián)性能測試

為滿足大電流應(yīng)用需求，目前市場采用多顆電流規(guī)格最大的30 A/45 A 并聯(lián)方案。如50 A 應(yīng)用需求采用兩顆30 A，60 A 應(yīng)用需求采用兩顆45 A 并聯(lián)。更大電流應(yīng)用需求，采用更多顆的并聯(lián)?，F(xiàn)對30 A/45 A 兩顆并聯(lián)進行測試。

1.2 內(nèi)阻拉載測試

測試型號：WPF30AxK、WPF45AxK；

測試項目：分別進行30 A/45 A 產(chǎn)品內(nèi)阻拉載測試；

測試板說明：( 圖1 測試板圖紙和表1 測試板參數(shù)說明)

圖1 測試板圖紙

表1 測試板參數(shù)說明

如下圖 2 為30 A/45 A 產(chǎn)品的實際測試板情況，表2為內(nèi)阻拉載測試結(jié)果；

圖2 實際測試板

表2 30 A/45 A內(nèi)阻拉載測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，實測30 A 產(chǎn)品內(nèi)阻1.7 mΩ 左右，處于規(guī)格書范圍（1.0~2.5）mΩ 典型值；實測45 A 產(chǎn)品內(nèi)阻在1.15 mΩ 左右也處于規(guī)格書范圍（1.0~2.5）mΩ 典型值。

1.3 最大表面溫度測試

測試型號：WPF30AxK、WPF45AxK；

測試項目：最大表面溫升測試。

并聯(lián)后 30 A 產(chǎn)品： 分別在40 A、50 A、60 A、70 A、80 A，保持15 min 后測其表面最大溫度；

對并聯(lián)后45 A 產(chǎn)品：分別在50 A、60 A、70 A、80 A、90 A、100 A，保持15 min 后測其表面最大溫度；

測試板說明：( 圖3 測試板圖紙和表3 測試板參數(shù)說明)

圖3 測試板圖紙

表3 測試板參數(shù)說明

如下圖4 為30 A/45 A 產(chǎn)品的實際測試板情況，表2 為產(chǎn)品在不同電流下通流后，表4 最大表面溫溫度測試結(jié)果；

圖4 實際測試板

根據(jù)UL248對熔斷器產(chǎn)品額定電流能力的定義，25℃ 環(huán)境溫度下，熔斷器產(chǎn)品最大表面溫升75℃ 時的最大載流，即為產(chǎn)品的額定電流^[7]。測試最大表面溫度結(jié)果表明，30 A 產(chǎn)品并聯(lián)測試時，50 A 測試電流下，表面溫度在85℃ 左右，60 A 測試電流下，最大表面溫度已達到116℃，根據(jù)要求最大表面溫度低于100℃ 的要求，30 A 并聯(lián)最大安全使用的電流在55 A 左右，考慮應(yīng)用條件下客戶板子差異，安全使用電流即為50 A。此外，45 A 產(chǎn)品并聯(lián)測試時，60 A 測試下，最大表面溫度達到93℃，70 A 測試電流下，最大表面溫度達到109℃，考慮應(yīng)用條件下客戶板子差異，安全使用電流即為60 A。下圖為根據(jù)測試結(jié)果繪制的圖5WPFxxAxK系列產(chǎn)品并聯(lián)最大表面溫度測試曲線。

圖5 WPFxxAxK系列產(chǎn)品并聯(lián)最大表面溫度測試曲線

2 雙電流路徑結(jié)構(gòu)

2.1 雙電流路徑結(jié)構(gòu)模型猜想

根據(jù)30 A/45 A 兩顆并聯(lián)溫升測試結(jié)果表明，兩顆30 A 并聯(lián)滿足50 A 應(yīng)用需求，兩顆45A 并聯(lián)滿足60 A應(yīng)用需求。進行圖6 模型的推演，實際應(yīng)用中，兩顆自控制熔斷器并聯(lián)如下圖6(a)，兩顆并排貼裝在PCB 板上，此時猜想可否將平行并排貼裝轉(zhuǎn)換成上下層疊的兩顆如圖6(b)，最終簡化成圖6(c) 的雙電流路徑結(jié)構(gòu)模型。

a兩顆并聯(lián)焊接；b并聯(lián)類比猜想；c雙電流路徑結(jié)構(gòu)模型

圖6 雙電流路徑結(jié)構(gòu)模型推演步驟

常規(guī)的自控制熔斷器結(jié)構(gòu)：

基本結(jié)構(gòu)包括基板、發(fā)熱體、絕緣層、電極層、合金、助熔斷劑、上蓋等，圖7 結(jié)構(gòu)如下：

圖7 自控制熔斷器結(jié)構(gòu)圖

工作原理：

過電流保護：鋰電池在放電使用過程中，若發(fā)生異常大電流，此時自控制熔斷器的合金在大電流沖擊下發(fā)生熔斷。

過電壓保護：鋰電池在充電使用過程中，若發(fā)生電池過充，此時二級保護芯片檢測到過電壓異常后，控制MOS管打開，此時鋰電池全部電壓進入自控制熔斷器，發(fā)熱體工作升溫熔融合金。

雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器結(jié)構(gòu)：

基本結(jié)構(gòu)圖8 包括第1、第2 陶瓷基板；第1、第2發(fā)熱體、第1、第2 合金、支撐導體等。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可等效兩個完全相同的常規(guī)自控制熔斷器為模塊單元，分別第1 導體回路模塊和第2 導體回路模塊其外觀等同于兩個回路模塊（常規(guī)自控制熔斷器）上下鏡像層疊分布，通過支撐導體連接。雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器通過設(shè)有兩個并聯(lián)分布的保險絲組件，實現(xiàn)大電流載流能力。

圖8 雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器產(chǎn)品模型

工作原理：

過電流保護：雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器應(yīng)用在電路中，此時產(chǎn)品的第1、第2 合金同時通流圖9，等效于保險絲并聯(lián)結(jié)構(gòu)，若發(fā)生異常大電流，此時產(chǎn)品的第1、第2 合金同時會被大電流沖擊熔斷。

圖9 通流時的雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器產(chǎn)品

過電壓保護：

雙電流路徑結(jié)構(gòu)自控制熔斷器產(chǎn)品，其第1 導體回路模塊和第2 導體回路模塊過壓保護控制端短接于一處，若有過電壓進入產(chǎn)品，此時產(chǎn)品第1 發(fā)熱體和第2發(fā)熱體同時工作，同時熔斷第1 合金和第2 合金，實現(xiàn)切斷電路功能，如圖10。

圖10 過電壓保護后的雙電流路徑結(jié)構(gòu)自控制熔斷器產(chǎn)品

2.3 雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器產(chǎn)品設(shè)計

以下對雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器進行詳細描述并說明。具體的實現(xiàn)方式存在多種，實施例之一如下：

圖11 是雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器示意圖，圖12 是原理示意圖。由圖12 可見，該結(jié)構(gòu)等效于兩個獨立的自控制熔斷器并聯(lián)。同時圖11 所示，雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器000 可視為圖13(a) 中的第1 導體回路模塊100 和圖13(b) 第2 導體回路模塊200 上下鏡像層疊分布，通過支撐導體110 并聯(lián)導通兩個導體回路模塊，中間縫隙出填充助熔斷劑109。

圖10 雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器示意圖

圖12 雙電流路徑結(jié)構(gòu)自控制熔斷器的原理示意圖

圖13(a) 第1 導體回路模塊100 具備：設(shè)有若干堵孔導體111 和通孔113 第1 陶瓷基板101；層疊在第1 陶瓷基板101 并覆蓋第1 絕緣層105 的第1 發(fā)熱體104；形成在第1 陶瓷基板101 的兩端的第1 上電極102；形成在第1 陶瓷基板101 上作為第1 發(fā)熱體104電流引入引出的第1 引入電極a103a 和第1 引入電極b103b；在第1 絕緣層105 上與第1 發(fā)熱體104 重疊的方式層疊的第1 發(fā)熱體引出電極106；兩端與第1 上電極102 分別連接并且中央部與第1 發(fā)熱體引出電極106連接的第1 保險絲組件108。

圖13 雙電流路徑結(jié)構(gòu)自控制熔斷器分解圖

第2 導體回路模塊200 結(jié)構(gòu)圖13(b) 與第一導體回路模塊100 類似，唯一差異在于第2 陶瓷基板201 不有若干堵孔和通孔。

此外，支撐導體110 較為重要，將圖13(a) 第1 導體回路模塊和圖13(b) 第2 導體回路模塊進行并聯(lián)復合。支撐導體110(P1) 和支撐導體110(P1) 將第1 導體回路模塊和第2 導體回路模塊并聯(lián)導通，可實現(xiàn)下電極112第1 端口(1) 和第2 端口(2) 接入外部電路，電流從第1端口(1) 的第1 陶瓷基板101 的堵孔111 或通孔112 流入后，通過支撐導體110(P1) 同時流經(jīng)第1 導體回路和第2 導體回路，然后經(jīng)支撐導體110(P2) 到第1 陶瓷基板111 的另一測堵孔111 或通孔112 流出第2 端口(2)。支撐導體110(P3) 將為第1 引入電極a103a 和為第2 引入電極a203a 進行導通連接（此處注意復合時的方向性，切勿將第1 引入電極a103a 和為第2 引入電極b203b 或第1 引入電極b103b 和為第2 引入電極a203a），可實現(xiàn)外部電壓或電流可從下電極112 第3 端口(3) 進入，第1 發(fā)熱體104 和第2 發(fā)熱體204 同時工作，同時熔斷第1 保險絲組件108 和第2 保險絲組件208，實現(xiàn)切斷電路功能。

上述實施例只是為了便于理解而作的一個示例，可通過更改單個或幾個步驟，進行微小調(diào)整，但原理示意圖等同于如圖12 結(jié)構(gòu)的，均為變形形式。

3 結(jié)束語

30 A/45 A 常規(guī)自控制熔斷器兩顆并聯(lián)可滿足更大電流應(yīng)用需求。兩顆30 A 并聯(lián)，適用于50 A 應(yīng)用需求；兩顆45 A 并聯(lián)，適用于60 A 應(yīng)用需求。

根據(jù)常規(guī)自控制熔斷器并聯(lián)使用情況，類比推出雙電流路徑結(jié)構(gòu)模型。

雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器，其結(jié)構(gòu)可等效于上下鏡像層疊分布的常規(guī)自控制熔斷器。根據(jù)原理示意圖，具體實施中可有多種變形形式。

參考文獻：

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[6] RODRIGO M. The role of slip additives in tape-casting technology: part II-binders and plasticizers[J].American Ceramic Society Bulletin, 1992,71(11).

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）