小型熔斷器過載熔斷試驗技術(shù)研究

水春生

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引言

高可靠小型熔斷器[5]是衛(wèi)星、宇航設(shè)施中重要的保護器件，熔斷器通常串聯(lián)安裝在模塊或分系統(tǒng)的電路中，在系統(tǒng)長時間正常工作過程中，熔斷器應保持穩(wěn)定工作，不能出現(xiàn)斷路；在異常情況出現(xiàn)時，熔斷器要及時地熔斷，切斷電路以保護整體電路的安全。

目前，國內(nèi)有多家單位在進行高可靠小型熔斷器產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)，對高可靠小型熔斷器的性能考核是各個單位均面臨的問題，過電流特性是熔斷器的關(guān)鍵性能，而過載熔斷試驗是考核熔斷器過電流特性的關(guān)鍵試驗。歐洲空間元器件協(xié)調(diào)委員會(ESCC)制定的ESCC Generic Specification No.4008 Fuses、美國的 MIL-PRF-23419G“Performance Specification， Fuses， Gartridge， General Specification”和我國的GJB 5850-2006《小型熔斷器通用規(guī)范》都規(guī)定了熔斷器的過載熔斷試驗方法，但是缺少對過載熔斷試驗設(shè)備的要求[2-4]。目前可用于過載熔斷試驗的試驗電源的類型較多，主要包括電子電源、蓄電池組電源和電容器組電源等，同一款產(chǎn)品采用不同類型的試驗電源可能得到不同的結(jié)果，為了解決熔斷器過載熔斷試驗的試驗電源的選用問題，本研究選用以上3種類型的試驗電源進行了過載熔斷試驗，根據(jù)3種電源的試驗結(jié)果得出了影響過載熔斷試驗結(jié)果的因素，并提出過載熔斷試驗的試驗電源的選用原則。

1 熔斷器熔斷機理分析

熔斷器主要是由熔斷體和外殼組成，其中熔斷體的熔絲質(zhì)量是影響其可靠性的關(guān)鍵因素，其與熔斷器過載過程中產(chǎn)生的熱量、散熱能力等都有著密切的關(guān)系。

熔斷器的熔斷與熔絲產(chǎn)生的熱量有直接的關(guān)系，根據(jù)熱量計算公式Q=I2Rt，在不考慮電阻溫度系數(shù)的情況下，熔絲的材料和形狀決定了熔斷體的電阻值R，通過熔絲的電流I與熔斷體電阻R決定了熔斷器產(chǎn)生熱量的速度，而熔斷器的材料和結(jié)構(gòu)決定了熱量耗散的速度。熔斷器的熱量平衡關(guān)系可以由以下公式表示：

式(1)中：m——熔斷器的質(zhì)量；

Cp——比熱或熱容系數(shù)；

T——熱力學溫度；

t——時間；

I2R——電轉(zhuǎn)化為熱能的速率。

當電流流過熔絲時，熔絲就會發(fā)熱，隨著時間的持續(xù)，發(fā)熱量不斷地增加。當產(chǎn)生熱量的速度小于散熱速度時，熔絲是不會熔斷的；當產(chǎn)生熱量的速度等于散熱速率時，在相當長的時間內(nèi)熔絲也不會熔斷；當產(chǎn)生熱量的速度大于熱量耗散的速度時，熱量會不斷地累積而導致熔絲溫度升高，當溫度升高到熔絲金屬的熔點以上時熔絲就會發(fā)生熔斷。

以上過程是熔斷器熔斷過程的一個簡單模型，熔斷器散熱速率與熔斷器材料特性及其所處的環(huán)境有直接的關(guān)系，熔斷器的散熱主要通過3種方式進行，即傳導、對流和輻射。這3種傳熱方式，其傳熱速率均與熔斷器和外界環(huán)境的溫度差有關(guān)。當溫度差越大時，傳熱的速率亦越大。傳導傳熱主要是通過熔斷器的本體材料，將熱量從熔斷器的熔絲部分傳到周邊，包括通過端頭傳到線路板及由外表面?zhèn)鞯街車目諝庵?。對流傳熱是由周圍空氣的流動產(chǎn)生的，對流傳熱有兩種方式：一種為自然對流，即由于熔斷器表面的空氣被熔斷器加熱而產(chǎn)生密度的變化所造成的；另一種為強制對流，即由電子器件內(nèi)的排風扇強制空氣的流動造成的。輻射是由熔斷器表面產(chǎn)生的熱輻射造成的，其速率取決于熔斷器的表面溫度與環(huán)境溫度4次方之差、熔斷器表面和散熱空間的密度[5]。

在熔斷器的過載熔斷試驗中，熔斷器承載電流的時間通常較短，產(chǎn)生的熱量并不多，不足以造成器件整體溫度上升從而引起對流散熱或輻射散熱。過載試驗中產(chǎn)生的熱量主要通過與熔絲連接的引線，以及熔絲所依附的陶瓷基板等部位進行傳導散熱。

目前高可靠小型熔斷器基本屬于 “F”特性產(chǎn)品，即快速熔斷型產(chǎn)品，其過載熔斷試驗電流通常為熔斷器額定電流的2～10倍，低倍率熔斷時間要求不大于5 s，中倍率熔斷時間不大于15 ms，高倍率熔斷時間不大于3 ms。而熔斷器樣品的實測熔斷時間通常會比合格判據(jù)低一個數(shù)量級，所以進行高可靠小型熔斷器過載熔斷試驗時，熔絲熱量的產(chǎn)生速率會遠遠地大于散熱速率，熔斷器的熔絲會迅速地達到熔點使熔斷器斷開。

在實際的工作電路中，由于開關(guān)動作、負載波動等原因，電路中會產(chǎn)生電流脈沖，熔絲會受到電流沖擊而損傷。當熔斷器熔斷所需的能量低于電路中最大脈沖的浪涌能量時，就可能出現(xiàn)熔斷器 “無故開路”的情況。所以，過載熔斷試驗電路中應盡量地避免電流脈沖的出現(xiàn)[5-6]。

2 過載熔斷試驗研究

試驗樣品采用兩款國內(nèi)某公司生產(chǎn)的表貼式厚膜熔斷器，樣品規(guī)格分別為3216/F-125 V-1.4 A和3216/F-125 V-3.5 A，分別在3種類型的試驗電源 (電子電源、蓄電池組電源和電容器組電源)上進行測試，電子電源采用Chroma的62012P-80-60型可編程直流電源和ITECH的IT8818B型電子負載組合，開路電壓為80 V，最大輸出電流為60 A。蓄電池組電源和電容器組電源均采用熔斷器生產(chǎn)廠家的自研設(shè)備，蓄電池組的開路電壓為130 V，最大輸出電流為120 A；電容器組的開路電壓可達350 V，最大輸出電流為1 000 A。試驗線路示意圖如圖1所示，試驗采用的樣品外觀如圖2所示。

圖1 過載熔斷線路示意圖

圖2 3216/F-125 V-1.4 A型樣品

額定電流為1.4 A的熔斷器在試驗電流為5、8、12 A和額定電流為3.5 A的熔斷器在試驗電流為12.5、20、30 A的條件下的過載熔斷特性如表1所示。

表1 熔斷器過載熔斷指標

樣品分配方案如表2所示產(chǎn)。

表2 熔斷器樣品分配方案

3 試驗結(jié)果分析

3.1 影響因素分析

將每只樣品分別接入試驗電路中并施加相應的電流，采用示波器采集電流波形，根據(jù)電流曲線分析能夠影響熔斷器過載熔斷結(jié)果的因素。如圖3所示，額定電流為1.4 A的熔斷器進行857%額定電流(12 A)過載熔斷時，總?cè)蹟鄷r間為432.0 μs，而電流從0上升到12 A所用的時間為186 μs，電流上升時間占熔斷時間的比例為43.06%，電流上升時間過長明顯地影響了熔斷器的測試結(jié)果，使試驗不能考核出熔斷器的真實性能。圖3的結(jié)果是采用電子電源測試系統(tǒng)得到的結(jié)果，在其他兩個測試系統(tǒng)中測試時存在不同程度的類似情況。所有測試的結(jié)果匯總?cè)绫?-4所示。

圖3 額定電流為1.4 A的熔斷器在857%額定電流（12 A）下的過載熔斷曲線 （2#）

表3 3216/F-125 V-1.4 A的過載熔斷試驗結(jié)果

表4 3216/F-125 V-3.5 A的過載熔斷試驗結(jié)果

3.2 試驗結(jié)果匯總

由以上兩個規(guī)格的熔斷器產(chǎn)品的過載熔斷試驗結(jié)果可以看出，電子電源的電流上升時間均為0.2 ms左右，與負載規(guī)格關(guān)系不大，進行571%額定電流和857%額定電流熔斷測試時電流上升時間占熔斷時間的比例較大。

在蓄電池組電源測試結(jié)果中，兩個規(guī)格的產(chǎn)品的電流上升時間有較大的差異，通過分析線路中電流控制裝置的工作原理，發(fā)現(xiàn)蓄電池組電源以20 A為分界線，小于20 A的電流上升時間基本為0.3 ms左右，而大于等于20 A的電流上升時間約為30 μs，而1.4 A和3.5 A兩個規(guī)格的產(chǎn)品的測試電流分別處于分界線的兩側(cè)，所以呈現(xiàn)出截然不同的數(shù)值。試驗電流在20 A以下時，電流上升時間占熔斷時間的比例較大，所以對測試結(jié)果的影響也較大；試驗電流在20 A以上時，蓄電池組電源的電流上升時間對測試結(jié)果的影響明顯地降低。

電容器組電源進行過載熔斷時，電流上升時間相對比較短，其電流上升特性是3種電源中最優(yōu)的，但目前該類型電源的使用并不普遍。

3.3 試驗結(jié)論

a)電子電源的電流上升及穩(wěn)定時間在0.2 ms左右，相對于小型熔斷器中倍率熔斷時間 (≤10 ms)和高倍率熔斷時間 (≤2 ms)比較長，采用電子電源進行小型熔斷器的中倍率熔斷和高倍率熔斷會使測試結(jié)果受到明顯的影響，所以電子電源不適用于小型熔斷器的中倍率熔斷和高倍率熔斷測試，但可用于低倍率熔斷測試 (熔斷時間≤5 s)。

b)蓄電池組電源的電流上升時間受負載電路的影響較大，所以，在使用前應了解其負載工作模式，選用合適的電流量程，在確保電流上升時間不大于0.1 ms的情況下，蓄電池電源可用于小型熔斷器的高倍率 (≤2 ms)、中倍率 (≤10 ms)和低倍率 (≤5 s)熔斷測試。

c)電容器組電源輸出電流上升時間相對比較短，電流上升速率受測試回路的參數(shù)影響，回路中要盡量地減小電感量，使電流上升時間保持在0.1 ms以下。電容器組電源可用于小型熔斷器的高倍率 (≤2 ms)、中倍率 (≤10 ms)和低倍率 (≤5 s)熔斷測試。

4 結(jié)束語

本文討論了小型熔斷器過載熔斷試驗電源對過載熔斷試驗結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵影響因素，并相應地提出了過載熔斷試驗電源的選用原則，為客觀評價小型熔斷器的性能奠定了基礎(chǔ)。