雙電流路徑結構的大電流自控制熔斷器技術

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），如應用于手機、平板電腦等便攜式移動設備中，而大電流應用領域如儲能、兩輪車，因沒有大電流規(guī)格的自控制熔斷器（最大45 A），常常采用多顆并聯的形式使用^[2]。

對于市場應用而言，多顆小電流自控制熔斷器并聯雖能滿足部分大電流終端設備應用場景（如90 A 左右的兩輪車），但較難滿足超大電流應用領域，如200 A及以上的儲能領域^[3]。同時多顆并聯將造成設計板面大，設計難度高，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)設計大電流的自控制熔斷器的方式是增大產品尺寸^[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，使得產品的內阻更低。首先，因產品使用的需求，產品既要滿足高于260 ℃ 以上耐熱性安裝需求，同時又希望產品觸發(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品快速熔斷增大風險。

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

1 現有產品并聯測試測試

1.1 現有規(guī)格產品并聯性能測試

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

1.2 內阻拉載測試

測試型號：WPF30AxK、WPF45AxK；

測試項目：分別進行30 A/45 A 產品內阻拉載測試；

測試板說明：( 圖1 測試板圖紙和表1 測試板參數說明)

圖1 測試板圖紙

表1 測試板參數說明

如下圖 2 為30 A/45 A 產品的實際測試板情況，表2為內阻拉載測試結果；

圖2 實際測試板

表2 30 A/45 A內阻拉載測試結果

測試結果表明，實測30 A 產品內阻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 產品內阻在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。

并聯后 30 A 產品： 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；

對并聯后45 A 產品：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 測試板參數說明)

圖3 測試板圖紙

表3 測試板參數說明

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

圖4 實際測試板

根據UL248對熔斷器產品額定電流能力的定義，25℃ 環(huán)境溫度下，熔斷器產品最大表面溫升75℃ 時的最大載流，即為產品的額定電流^[7]。測試最大表面溫度結果表明，30 A 產品并聯測試時，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℃，根據要求最大表面溫度低于100℃ 的要求，30 A 并聯最大安全使用的電流在55 A 左右，考慮應用條件下客戶板子差異，安全使用電流即為50 A。此外，45 A 產品并聯測試時，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。下圖為根據測試結果繪制的圖5WPFxxAxK系列產品并聯最大表面溫度測試曲線。

圖5 WPFxxAxK系列產品并聯最大表面溫度測試曲線

2 雙電流路徑結構

2.1 雙電流路徑結構模型猜想

根據30 A/45 A 兩顆并聯溫升測試結果表明，兩顆30 A 并聯滿足50 A 應用需求，兩顆45A 并聯滿足60 A應用需求。進行圖6 模型的推演，實際應用中，兩顆自控制熔斷器并聯如下圖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) 的雙電流路徑結構模型。

a兩顆并聯焊接；b并聯類比猜想；c雙電流路徑結構模型

圖6 雙電流路徑結構模型推演步驟

常規(guī)的自控制熔斷器結構：

基本結構包括基板、發(fā)熱體、絕緣層、電極層、合金、助熔斷劑、上蓋等，圖7 結構如下：

圖7 自控制熔斷器結構圖

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。

雙電流路徑結構的自控制熔斷器結構：

基本結構圖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。產品結構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。雙電流路徑結構的自控制熔斷器通過設有兩個并聯分布的保險絲組件，實現大電流載流能力。

圖8 雙電流路徑結構的自控制熔斷器產品模型

工作原理：

過電流保護：雙電流路徑結構的自控制熔斷器應用在電路中，此時產品的第1、第2 合金同時通流圖9，等效于保險絲并聯結構，若發(fā)生異常大電流，此時產品的第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構的自控制熔斷器產品

過電壓保護：

雙電流路徑結構自控制熔斷器產品，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，若有過電壓進入產品，此時產品第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，實現切斷電路功能，如圖10。

圖10 過電壓保護后的雙電流路徑結構自控制熔斷器產品

2.3 雙電流路徑結構的自控制熔斷器產品設計

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

圖11 是雙電流路徑結構的自控制熔斷器示意圖，圖12 是原理示意圖。由圖12 可見，該結構等效于兩個獨立的自控制熔斷器并聯。同時圖11 所示，雙電流路徑結構的自控制熔斷器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 雙電流路徑結構的自控制熔斷器示意圖

圖12 雙電流路徑結構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 雙電流路徑結構自控制熔斷器分解圖

第2 導體回路模塊200 結構圖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 導體回路模塊并聯導通，可實現下電極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) 同時流經第1 導體回路和第2 導體回路，然后經支撐導體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，進行微小調整，但原理示意圖等同于如圖12 結構的，均為變形形式。

3 結束語

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

根據常規(guī)自控制熔斷器并聯使用情況，類比推出雙電流路徑結構模型。

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

參考文獻：

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[5] RODRIGO M. The role of slip additives in tape-casting technology: part I-solvents and dispersants[J].American Ceramic Society Bulletin, 1992,71(10).

[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《電子產品世界》雜志2023年5月期）