雙電流路徑結構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(guò)電流保護和過(guò)電壓保護功能于一體的二級保護元件，得到越來(lái)越多的發(fā)展與重視^[1]。目前市場(chǎng)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(dòng)設備中，而大電流應用領(lǐng)域如儲能、兩輪車(chē)，因沒(méi)有大電流規格的自控制熔斷器（最大45 A），常常采用多顆并聯(lián)的形式使用^[2]。

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

常規設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(guò)采用更大更厚的保險絲組件，使得產(chǎn)品的內阻更低。首先，因產(chǎn)品使用的需求，產(chǎn)品既要滿(mǎn)足高于260 ℃ 以上耐熱性安裝需求，同時(shí)又希望產(chǎn)品觸發(fā)保護時(shí)快速熔斷，保險絲組件具有盡可能低的熔點(diǎn)^[5]。此時(shí)保險絲組件的熔點(diǎn)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(diǎn)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(huì )給將為產(chǎn)品快速熔斷增大風(fēng)險。

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

1 現有產(chǎn)品并聯(lián)測試測試

1.1 現有規格產(chǎn)品并聯(lián)性能測試

為滿(mǎn)足大電流應用需求，目前市場(chǎng)采用多顆電流規格最大的30 A/45 A 并聯(lián)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(lián)。更大電流應用需求，采用更多顆的并聯(lián)?，F對30 A/45 A 兩顆并聯(lián)進(jìn)行測試。

1.2 內阻拉載測試

測試型號：WPF30AxK、WPF45AxK；

測試項目：分別進(jìn)行30 A/45 A 產(chǎn)品內阻拉載測試；

測試板說(shuō)明：( 圖1 測試板圖紙和表1 測試板參數說(shuō)明)

圖1 測試板圖紙

表1 測試板參數說(shuō)明

如下圖 2 為30 A/45 A 產(chǎn)品的實(shí)際測試板情況，表2為內阻拉載測試結果；

圖2 實(shí)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(shí)測30 A 產(chǎn)品內阻1.7 mΩ 左右，處于規格書(shū)范圍（1.0~2.5）mΩ 典型值；實(shí)測45 A 產(chǎn)品內阻在1.15 mΩ 左右也處于規格書(shū)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(shuō)明：( 圖3 測試板圖紙和表3 測試板參數說(shuō)明)

圖3 測試板圖紙

表3 測試板參數說(shuō)明

如下圖4 為30 A/45 A 產(chǎn)品的實(shí)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果；

圖4 實(shí)際測試板

根據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(shí)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果表明，30 A 產(chǎn)品并聯(lián)測試時(shí)，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(lián)最大安全使用的電流在55 A 左右，考慮應用條件下客戶(hù)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(shí)，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(hù)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(chǎn)品并聯(lián)最大表面溫度測試曲線(xiàn)。

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

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(lián)溫升測試結果表明，兩顆30 A 并聯(lián)滿(mǎn)足50 A 應用需求，兩顆45A 并聯(lián)滿(mǎn)足60 A應用需求。進(jìn)行圖6 模型的推演，實(shí)際應用中，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(shí)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(jiǎn)化成圖6(c) 的雙電流路徑結構模型。

a兩顆并聯(lián)焊接；b并聯(lián)類(lèi)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(guò)電流保護：鋰電池在放電使用過(guò)程中，若發(fā)生異常大電流，此時(shí)自控制熔斷器的合金在大電流沖擊下發(fā)生熔斷。

過(guò)電壓保護：鋰電池在充電使用過(guò)程中，若發(fā)生電池過(guò)充，此時(shí)二級保護芯片檢測到過(guò)電壓異常后，控制MOS管打開(kāi)，此時(shí)鋰電池全部電壓進(jìn)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(chǎn)品結構可等效兩個(gè)完全相同的常規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(guān)等同于兩個(gè)回路模塊（常規自控制熔斷器）上下鏡像層疊分布，通過(guò)支撐導體連接。雙電流路徑結構的自控制熔斷器通過(guò)設有兩個(gè)并聯(lián)分布的保險絲組件，實(shí)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(chǎn)品模型

工作原理：

過(guò)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(shí)產(chǎn)品的第1、第2 合金同時(shí)通流圖9，等效于保險絲并聯(lián)結構，若發(fā)生異常大電流，此時(shí)產(chǎn)品的第1、第2 合金同時(shí)會(huì )被大電流沖擊熔斷。

圖9 通流時(shí)的雙電流路徑結構的自控制熔斷器產(chǎn)品

過(guò)電壓保護：

雙電流路徑結構自控制熔斷器產(chǎn)品，其第1 導體回路模塊和第2 導體回路模塊過(guò)壓保護控制端短接于一處，若有過(guò)電壓進(jìn)入產(chǎn)品，此時(shí)產(chǎn)品第1 發(fā)熱體和第2發(fā)熱體同時(shí)工作，同時(shí)熔斷第1 合金和第2 合金，實(shí)現切斷電路功能，如圖10。

圖10 過(guò)電壓保護后的雙電流路徑結構自控制熔斷器產(chǎn)品

2.3 雙電流路徑結構的自控制熔斷器產(chǎn)品設計

以下對雙電流路徑結構的自控制熔斷器進(jìn)行詳細描述并說(shuō)明。具體的實(shí)現方式存在多種，實(shí)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(jiàn)，該結構等效于兩個(gè)獨立的自控制熔斷器并聯(lián)。同時(shí)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(guò)支撐導體110 并聯(lián)導通兩個(gè)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(lèi)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(jìn)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(shí)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(guò)支撐導體110(P1) 同時(shí)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(jìn)行導通連接（此處注意復合時(shí)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(shí)現外部電壓或電流可從下電極112 第3 端口(3) 進(jìn)入，第1 發(fā)熱體104 和第2 發(fā)熱體204 同時(shí)工作，同時(shí)熔斷第1 保險絲組件108 和第2 保險絲組件208，實(shí)現切斷電路功能。

上述實(shí)施例只是為了便于理解而作的一個(gè)示例，可通過(guò)更改單個(gè)或幾個(gè)步驟，進(jìn)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(yǔ)

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

根據常規自控制熔斷器并聯(lián)使用情況，類(lèi)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自控制熔斷器。根據原理示意圖，具體實(shí)施中可有多種變形形式。

參考文獻：

[1] VEST R W. Materials science of thick film technology[J]. Ceramic Bulletin,1986 65(4):631-636.

[2] SZWAGIERCZAK D. Thick film composition base on titanium silicides for surge resistors[J].Ceramics International,2004(30):757-764.

[3] LIAO C H, J H JEAN, HUNG Y Y. Self-constrained sintering of a multi layer low-temperature-cofired glassceramics/alumina laminate. J. Am[J].Ceram. Soc., 2008,91(2):648-651.

[4] HOWATT G N. Method of producing high-dielectric highinsulation ceramic plates[P].US Patent,2,582,993.1952

[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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）