基于溫升及電流承載能力的端子連接器選型研究

劉世艷

（廣東省高能效壓縮機技術研發(fā)企業(yè)重點實驗室，廣東 佛山 528333）

工業(yè)領域的端子連接器因其具備可分離接觸面可拆卸、維修的功能在強電應用和信號應用兩大模塊得到廣泛的應用。目前在空調壓縮機領域，端子連接器通過連接電機引線和壓縮機上殼體接線柱，在兩個組件之間形成了導電的路徑，壓縮機的市場需求隨著空調的需求逐年增長，目前在空調壓縮機行業(yè)，定速壓縮機主要采用壓接式（Crimping）端子連接器，變頻壓縮機主要采用刺破式（IDC）端子連接器，而每一臺壓縮機需配備三個端子連接器。故在空調壓縮機領域端子連接器有著巨大的市場。

但目前端子連接器的選型及應用，主要由端子連接器廠家根據壓縮機設計電流推薦，壓縮機廠家再通過實驗手段對選型后的端子連接器進行評價。一方面，端子連接器廠家推薦產品可能有冗余浪費；另一方面，隨著壓縮機應用場景多樣化，僅通過部分試驗的驗證，難以滿足應用市場對壓縮機可靠性越來越高的要求。

結合上述需求，本文基于壓縮機電流承載能力的要求，結合端子連接器自身的體積電阻及接觸電阻，依據超溫準則及毫伏電壓降進行端子連接器選型分析。希望為端子連接器的選型提供一套有效的理論支撐。

1 端子連接器體積電阻及接觸界面

空調壓縮機用端子連接器包括兩個連接界面，即與電機引出線鉚接的永久連接界面和與公端子（上殼體接線柱）配合的可分離接觸面。其中可分離界面需要端子間的正壓力和鍍層來維護。端子表面鍍層用于優(yōu)化接觸界面，目前端子常用的鍍層包括金、錫、銀。鎳鍍層常被用作上述鍍層的打底層。

1.1 端子連接器的體積電阻

端子連接器設計及選型時，基材和形狀作為主要的設計部分。而體積電阻率是由承載電流部分基材的材料特性和幾何形狀決定。在給定電流的情況下，體積電阻決定了端子的溫升及毫伏電壓降。本文中體積電阻通過簡化為下式進行計算。

其中：R是電阻，單位Ω；ρ是材料的電阻率；l為矩形塊在電流流向上的長度；w、t分別為材料的寬度和厚度。

由式（1）可知，如需降低端子連接器的體積電阻可通過使用具有較高電阻率的材料、增加端子設計的橫截面積或改變零件的幾何形狀以減短電流路徑實現。

1.2 端子連接器的接觸界面

端子連接器的接觸界面包含兩種，一種是永久性連接界面，壓接、焊接都屬于該一類別的界面。可分離性連接界面是我們使用端子連接器的理由，這樣便于產品組裝、升級及售后維修。同時，由于連接器接觸面的可分離性，要求連接后在一定的插拔次數下產品不能出現失效。

永久性連接界面的載流能力要求：對于IDC 刺破式連接，要依據0.1 ℃溫度準則來確定產品壽命終止時的正壓力；對于壓接類的端子，其承載電流的能力要與連接電線的能力相匹配。

可分離的接觸界面的選型是基于端子連接器壽命終止時的要求來進行的。在確認初始壓力時，需要考慮端子材料的應力松弛因素?？煞蛛x的接觸界面選型時需要考慮應用要求、端子鍍層、超高溫準則以及公母端子配合的正壓力。

其中，應用要求包括電流承載能力、沖擊電流和過載電流需求、工作條件。其中接觸界面的電流承載能力應符合或高于體電阻電流的承載能力。接觸界面會快速響應沖擊電流和過載電流。過高的沖擊電流或過載電流會導致接觸界面出現超溫，從而導致接觸界面的永久性失效。端子連接器在廣泛的領域得以應用，不同的應用領域工作條件差異大，故在制定測試程序來驗證接觸面的穩(wěn)定性時，必須考慮端子連接器的工作溫度、插拔耐久性及是否鹽霧潮濕等。

端子連接器在壓縮機領域用于強電環(huán)境。其鍍層選擇主要為鎳打底的錫鍍層。錫鍍層的主要失效機制為微動腐蝕。公端子和母端子通過過盈配合實現機械連接，故對于插拔次數有明確限制。同時，因為錫鍍層表面易形成導電能力差的氧化層，公端子與母端子配合時需要足夠大的插入力來破壞表面的氧化層。形成配合后的界面由于微動原因再發(fā)生氧化的現象即為微動腐蝕。

超溫準則是基于接觸界面在微觀上為凹凸不平的表面，其接觸面面積小，單個接觸點對電流的反應較為迅速。當接觸點的溫度高于材料的熔點時，接觸界面將永久失效，會導致接觸界面的電阻增加。超高溫不能測量，但可以通過毫伏電壓降進行計算。

其中：VC是接觸界面的電壓；L是Lorzen 常數，2.4×10-8V2/K2；TB為端子的初始溫度；ΔTS為超溫溫升。

其中：R0是室溫時的接觸電阻；Rhot為高溫時的接觸電阻；α 是鍍層的溫度系數，鎳鍍層4×10-3℃-1；ΔT接觸面的溫度差與室溫的溫度差。

在端子初始溫度為27 ℃時，鍍層溫度系數為4×10-3℃-1，電流、接觸電阻和超溫溫升（ΔT）之間的關系曲線如圖1 所示。

圖1 電流、接觸電阻及超溫溫升關系圖［2］

圖1 包含了0.1 ℃、1.0 ℃、10 ℃的超溫溫升曲線，其所對應的分別為2.32 mv、7.33 mv 和22.80 mv的設計電壓IR0，其中I為直流電流額定電流值或交流額定值的峰值。

在強電應用中，建議的接觸界面承載電流的設計準則為1.0 ℃的超溫準則，在產品壽命終止時驗收標準則基于10 ℃超溫溫升。

接觸界面的超溫失效包括兩類：一種是超溫溫升（1.0 ℃或10 ℃），這個是一直存在于接觸界面的溫升；另一種是超溫熔融，超溫熔融限制了端子瞬間沖擊電流（持續(xù)時間小于幾十毫秒）和過載電流能力。接觸界面的小凸點會對極短持續(xù)時間的電流產生反應，但不會對毫秒時間內的電流產生反應。

過載電流（持續(xù)數十秒以上的電流），可能會受到超溫準則的限制或體電阻溫升的限制，這取決于電流的大小。過載電流預期是由體積電阻溫升進行限制，因為數秒的持續(xù)時間足以使體積電阻的溫度上升。在這種情況下，過載電流的限制參數將是連接器所產生的溫升后的總溫度不能超過應用所允許的最大工作溫度。當然，這個過載電流值可以遠高于連續(xù)電流的額定值，因為其持續(xù)時間僅幾秒鐘，其所產生的溫升還不足以誘發(fā)端子本身的失效機制。

瞬間沖擊電流的限制參數是接觸界面的超溫熔融，超溫不允許達到接觸界面材料的熔點。這就意味著接觸界面承受瞬間沖擊能力的決定因素為電鍍層材料。常見鍍層材料對沖擊電流極限值見表1。表中I為沖擊電流；R25為室溫時的集中電阻。

表1 常見鍍層承受瞬間沖擊電流的極限值［1］ mv

1.3 端子配合區(qū)正壓力

公端子與母端子接觸界面的正壓力決定了其表面接觸電阻，而表面接觸電阻受到1.0 ℃超溫溫升準則限制。圖2 提供了常用鍍層材料的接觸電阻和正壓力的經驗數據。

公端子和母端子的配合，可以通過單個接觸點實現，也可通過多個接觸點實現。由圖2 所示，在實際應用場景中，當接觸電阻小于0.5 mΩ 時，正壓力大于4.9 N，建議采用多個接觸點減少界面受力。多觸點的接觸電阻將通過接觸電阻的并聯實現，假定每個接觸點的正壓力是相同的，那么一個具有三個接觸點的端子其整體接觸電阻為單個端子電阻值的三分之一。多觸點配合的方法，可有效降低端子正壓力的要求，接觸點的接觸應力和磨損也會有效降低，端子插拔力性能也可得以改進。

圖2 常用鍍層材料的接觸電阻和正壓力［2］

基于端子壽命的要求，端子設計時從超溫準則得出的正壓力目標值應該為端子壽命終止時的需求。而端子正壓力的設計不僅要滿足正壓力需求，也要考慮端子的插拔耐久性。因為端子正壓力的初始值雖然降低了接觸電阻，但也降低了端子的插拔壽命，從而導致端子在多次插拔后出現更高的接觸電阻。因此初始正壓力需要從兩個方面進行設計優(yōu)化：一是端子壽命終止時對正壓力和接觸電阻的要求；二是正壓力對端子插拔耐久性的影響。插拔耐久性要求正壓力引起的接觸界面的磨損不能出現露出底層和基材。

表2 為端子常見鍍層正壓力和插拔耐久性關系，可知：在相同正壓力下，鍍層金的插拔耐久性優(yōu)于銀鍍層和錫鍍層，銀鍍層和錫鍍層插拔耐久性相當。同時，隨著正壓力增加，金銀錫三種鍍層的允許插拔循環(huán)次數均呈下降趨勢。

表2 常見鍍層的正壓力與插拔耐久性［1］

端子在初始應力設計時，還需考慮基材的應力松弛。應力松弛是材料本身的特性，隨著時間和溫度的變化材料本身的應力逐漸減少的一種現象。其重要的影響因素為時間及溫度。端子連接器常用的銅合金基材中黃銅抗應力松弛特性最差，磷銅次之，鈹銅最優(yōu)。其應力松弛隨溫度的變化如圖3 所示（105 ℃）。

圖4 為不同基材根據10 年使用壽命，且壽命終止時4.02 N 正壓力的初始正壓力要求：由圖4 可知，常用的端子基材中，黃銅的應力松弛較磷銅和鈹銅更為敏感。

圖3 常用銅合金應力松弛隨時間變化［2-3］

圖4 常用銅合金基材10 年壽命初始正壓力［2-3］

案例分析：

結合上述分析進行如下端子選型設計：假設使用原材料為磷青銅，表面鎳打底后再鍍錫，要求其連續(xù)的工作電流為DC-20A，使用時的沖擊電流為150 A，工作環(huán)境溫度為105 ℃，允許進行25 次的插拔循環(huán)。

由上可知，當該端子處于壽命終止時，對于20 A 的額定電流，接觸電阻應小于0.26 mΩ，且這個接觸電阻對于150 A 的沖擊電流是安全的（0.26 mΩ＜0.39 mΩ）。

4）正壓力（Fn）確認：由圖2 可知，對于鎳底鍍錫的端子，當只有1 個觸點時，0.26 mΩ 對應的正壓力為2 000 gf，一個觸點的端子不合適；

當有兩個觸點時，Fn=350 gf，對應單個觸點接觸電阻為0.52 mΩ；

當有4 個觸點時，Fn=0.931 N，對應單個觸點接觸電阻為1.04 mΩ。

5）由圖3 可知，對于磷青銅，工作在105 ℃條件下，10 年后應力松弛40%，剩余應力為60%。

兩個觸點的初始正壓力為：350/0.6=5.71 N；

四個觸點的初始正壓力為：96/0.6=1.57 N；

6）插拔循環(huán)次數（插拔耐久性）。

由表2 可知，當只有一個觸點時，正壓力大于19.6 N，插拔耐久次數小于1 次；當有兩個觸點時，正壓力為5.71 N，插拔次數小于10 次；當有四個觸點時，正壓力為1.57 N，插拔次數在25 到50 次間。由上可知，在上述要求下，僅四個觸點的端子滿足使用要求。

2 端子體電阻額定電流的確認

就端子的材料及幾何尺寸所能承載的額定電流進行確認，其主要通過端子的溫升及毫伏電壓降進行評估。

端子在給定電流下的溫升除了與周圍環(huán)境的對流系數有關外，與端子本身的電阻和散熱能力有關，也就是端子的導熱率和電阻率相關。美國工業(yè)標準EIA RS-214 將帶絕緣層的銅線額定電流、溫升和橫截面積聯系，繪制了圖5 的關系圖［5］。此圖用于確定銅導線的額定電流。端子連接器額定電流則通過等效面積理論與相同銅導線額定電流相關聯。

等效理論是通過將端子材料和尺寸轉換成另一種材料的等效尺寸，以保證端子在轉變前后具有相同的熱行為（溫升和導熱），從而確認端子達到電流額定目標值（給定溫升條件）。該理論可將任何材料的端子都與EIA RS-214 標準中的銅導線材料關聯［4］。等效理論中端子設計的幾何因素與材料屬性（X表示設計材料）和等效銅導線（Cu）的關系如下：

式中：l=長度，w=寬度，t=材料厚度；

k=導熱率；p=電阻率。

幾何因子是銅導線或端子的長度l與橫截面積wt的比值，這些因子乘以銅導線和端子材料各自的電阻率，就得到電阻值，即：

由式（9）可知在端子電阻給定的條件下，端子設計的幾個因子表達式如下：

在端子設計長度與銅線長度相同時，即l相同時，等效傳導理論方程將銅導線和端子的橫截面面積與材料導熱/導電性能之間的關系簡化如式（10）及式（11）。

圖5 純銅承載電流與溫升及橫截面積關系圖［2］

圖6 純銅英制面積和電流之間的函數關系［2］

圖6 將圖5 轉換了一種表達形式，給出了英制面積和電流之間的函數關系。經計算，當允許溫升分別為11 K、18 K、30 K 及50 K 時的電流計算公式如下，其中A為公制面積，單位為mm2：

3 結語

端子連接器失效主要受電流引起的溫升、插拔耐久性及基材應力松弛等影響。本文通過超溫準則及插拔耐久性對端子鍍層進行選型，通過應力松弛、體積電阻率和導熱率對端子連接器基材進行選型。端子插拔耐久性及等效面積理論研究端子連接器的承載電流能力或基于電流承載能力對端子連接器進行設計選型，上述理論可對端子連接器選型提供理論支撐。