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(hù)和過電壓保護(hù)功能于一體的二級(jí)保護(hù)元件，得到越來越多的發(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(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等便攜式移動(dòng)設(shè)備中，而大電流應(yīng)用領(lǐng)域如儲(chǔ)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(duì)于市場(chǎng)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(chǎng)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(chǔ)能領(lǐng)域^[3]。同時(shí)多顆并聯(lián)將造成設(shè)計(jì)板面大，設(shè)計(jì)難度高，對(duì)元件性能一致性的擔(dān)憂。因此，市場(chǎng)迫切需要一種大電流的自控制熔斷器。

常規(guī)設(shè)計(jì)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(dǎo)體材料；要么通過采用更大更厚的保險(xiǎn)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(shí)又希望產(chǎn)品觸發(fā)保護(hù)時(shí)快速熔斷，保險(xiǎn)絲組件具有盡可能低的熔點(diǎn)^[5]。此時(shí)保險(xiǎn)絲組件的熔點(diǎn)需要260 ℃~320 ℃，但處于該溫度范圍的保險(xiǎn)絲組件電阻率較高，很難找到熔點(diǎn)范圍內(nèi)且電阻率較低的保險(xiǎn)絲組件^[6]。因此，采用更大更厚的保險(xiǎn)絲組件是較為可行方案，但一味地增大增厚保險(xiǎn)絲組件將會(huì)給將為產(chǎn)品快速熔斷增大風(fēng)險(xiǎn)。

因此，有必要設(shè)計(jì)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(cè)試測(cè)試

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

為滿足大電流應(yīng)用需求，目前市場(chǎng)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(duì)30 A/45 A 兩顆并聯(lián)進(jìn)行測(cè)試。

1.2 內(nèi)阻拉載測(cè)試

測(cè)試型號(hào)：WPF30AxK、WPF45AxK；

測(cè)試項(xiàng)目：分別進(jìn)行30 A/45 A 產(chǎn)品內(nèi)阻拉載測(cè)試；

測(cè)試板說明：( 圖1 測(cè)試板圖紙和表1 測(cè)試板參數(shù)說明)

圖1 測(cè)試板圖紙

表1 測(cè)試板參數(shù)說明

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

圖2 實(shí)際測(cè)試板

表2 30 A/45 A內(nèi)阻拉載測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(cè)試

測(cè)試型號(hào)：WPF30AxK、WPF45AxK；

測(cè)試項(xiàng)目：最大表面溫升測(cè)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(cè)其表面最大溫度；

對(duì)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(cè)其表面最大溫度；

測(cè)試板說明：( 圖3 測(cè)試板圖紙和表3 測(cè)試板參數(shù)說明)

圖3 測(cè)試板圖紙

表3 測(cè)試板參數(shù)說明

如下圖4 為30 A/45 A 產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)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(cè)試結(jié)果；

圖4 實(shí)際測(cè)試板

根據(jù)UL248對(duì)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(cè)試最大表面溫度結(jié)果表明，30 A 產(chǎn)品并聯(lián)測(cè)試時(shí)，50 A 測(cè)試電流下，表面溫度在85℃ 左右，60 A 測(cè)試電流下，最大表面溫度已達(dá)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(cè)試時(shí)，60 A 測(cè)試下，最大表面溫度達(dá)到93℃，70 A 測(cè)試電流下，最大表面溫度達(dá)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(cè)試結(jié)果繪制的圖5WPFxxAxK系列產(chǎn)品并聯(lián)最大表面溫度測(cè)試曲線。

圖5 WPFxxAxK系列產(chǎn)品并聯(lián)最大表面溫度測(cè)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(cè)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(jìn)行圖6 模型的推演，實(shí)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(shí)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(jiǎn)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(hù)：鋰電池在放電使用過程中，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。

過電壓保護(hù)：鋰電池在充電使用過程中，若發(fā)生電池過充，此時(shí)二級(jí)保護(hù)芯片檢測(cè)到過電壓異常后，控制MOS管打開，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(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(dǎo)體等。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可等效兩個(gè)完全相同的常規(guī)自控制熔斷器為模塊單元，分別第1 導(dǎo)體回路模塊和第2 導(dǎo)體回路模塊其外觀等同于兩個(gè)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(dǎo)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(gè)并聯(lián)分布的保險(xiǎn)絲組件，實(shí)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(hù)：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(shí)產(chǎn)品的第1、第2 合金同時(shí)通流圖9，等效于保險(xiǎn)絲并聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的自控制熔斷器產(chǎn)品

過電壓保護(hù)：

雙電流路徑結(jié)構(gòu)自控制熔斷器產(chǎn)品，其第1 導(dǎo)體回路模塊和第2 導(dǎo)體回路模塊過壓保護(hù)控制端短接于一處，若有過電壓進(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(xiàn)切斷電路功能，如圖10。

圖10 過電壓保護(hù)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(jì)

以下對(duì)雙電流路徑結(jié)構(gòu)的自控制熔斷器進(jìn)行詳細(xì)描述并說明。具體的實(shí)現(xiàn)方式存在多種，實(shí)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(gè)獨(dú)立的自控制熔斷器并聯(lián)。同時(shí)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(dǎo)體回路模塊100 和圖13(b) 第2 導(dǎo)體回路模塊200 上下鏡像層疊分布，通過支撐導(dǎo)體110 并聯(lián)導(dǎo)通兩個(gè)導(dǎo)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(dǎo)體回路模塊100 具備：設(shè)有若干堵孔導(dǎo)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(xiǎn)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(dǎo)體回路模塊200 結(jié)構(gòu)圖13(b) 與第一導(dǎo)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(dǎo)體110 較為重要，將圖13(a) 第1 導(dǎo)體回路模塊和圖13(b) 第2 導(dǎo)體回路模塊進(jìn)行并聯(lián)復(fù)合。支撐導(dǎo)體110(P1) 和支撐導(dǎo)體110(P1) 將第1 導(dǎo)體回路模塊和第2 導(dǎo)體回路模塊并聯(lián)導(dǎo)通，可實(shí)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(dǎo)體110(P1) 同時(shí)流經(jīng)第1 導(dǎo)體回路和第2 導(dǎo)體回路，然后經(jīng)支撐導(dǎo)體110(P2) 到第1 陶瓷基板111 的另一測(cè)堵孔111 或通孔112 流出第2 端口(2)。支撐導(dǎo)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(dǎo)通連接（此處注意復(fù)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(xiàn)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(xiǎn)絲組件108 和第2 保險(xiǎn)絲組件208，實(shí)現(xiàn)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，可通過更改單個(gè)或幾個(gè)步驟，進(jìn)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(shí)施中可有多種變形形式。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）