厚膜熔斷器串電阻并聯(lián)使用的可靠性研究★

彭昌文，楊成，楊艦，雷巧林，孫鵬遠(yuǎn)，周婉恬

（中國(guó)振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550018）

0 引言

熔斷器是一種串聯(lián)在被保護(hù)電路中的過(guò)電流保護(hù)器件，當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過(guò)規(guī)定值并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量會(huì)熔斷熔體使電路斷開(kāi)，從而起到保護(hù)作用[1-5]。熔斷器作為一種可靠性器件，廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各種航天器件中，在安全領(lǐng)域中占有極其重要的地位[6-7]。航天工程任務(wù)中對(duì)于高可靠厚膜熔斷器的選用極為重視，因?yàn)楹教烊蝿?wù)是一個(gè)高科技、高風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)工程，尤其是載人航天工程，對(duì)安全性、可靠性更是提出了零故障、零失效的要求。如果熔斷器失效就可能導(dǎo)致整個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)失效，從而造成巨大的損失。因此，隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)熔斷器的保護(hù)性能提出了更高的要求[8-9]。

目前，我國(guó)航天工程領(lǐng)域在使用熔斷器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)一般采用雙熔斷器并聯(lián)使用模式，即將兩個(gè)具有相同額定電流的熔斷器并聯(lián)，其中一個(gè)支路上串聯(lián)一個(gè)限流電阻。由于熔斷器的保護(hù)功能希望熔斷器在電路出現(xiàn)故障過(guò)電流時(shí)能夠及時(shí)、可靠地切斷電流，這就要求熔斷器的動(dòng)作速度快一點(diǎn)；而其承載功能則希望熔斷器在電路開(kāi)關(guān)瞬間出現(xiàn)非故障脈沖電流時(shí)能夠承受，并在整機(jī)使用中也能承受，這就要求熔斷器的反應(yīng)速度適當(dāng)?shù)芈稽c(diǎn)；這兩個(gè)要求是有沖突或相互制約的，需要進(jìn)行綜合平衡，使得所選擇的熔斷器既能保證電子產(chǎn)品在正常使用時(shí)能夠順利開(kāi)關(guān)，又能保證有足夠的保護(hù)功能，及時(shí)有效地保護(hù)電器和人身的安全；真正地做到所選用的熔斷器在該斷的時(shí)候安全地熔斷、不該斷的時(shí)候又不致于誤動(dòng)作[10]。

熔斷器采用串電阻并聯(lián)使用，與僅使用單只熔斷器作為過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)相比，對(duì)其保護(hù)功能和承載功能究竟有何影響，國(guó)內(nèi)尚未有明確的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文選取目前我國(guó)航天工程領(lǐng)域使用得較為廣泛的某國(guó)產(chǎn)高可靠MFXX型厚膜熔斷器作為研究對(duì)象，研究其在串電阻并聯(lián)設(shè)計(jì)使用與單只單獨(dú)使用條件下，對(duì)在不同過(guò)載電流工況下的熔斷保護(hù)特性和脈沖承載特性的影響，以期能為我國(guó)航天型號(hào)工程正確地設(shè)計(jì)和使用熔斷器提供指導(dǎo)和借鑒。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

熔斷器過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)一般采用雙熔斷器并聯(lián)使用，即將兩個(gè)具有相同額定電流的熔斷器并聯(lián)，其中一個(gè)支路上串聯(lián)一個(gè)限流電阻。限流電阻的直流電阻值R應(yīng)足夠大，一般為熔斷器典型電阻值的10～20倍，并且在未串聯(lián)電阻支路的熔斷器熔斷后，通過(guò)該電阻器的電流IL產(chǎn)生的壓降應(yīng)影響設(shè)備 （負(fù)載）的正常工作。考慮電阻器的降額使用（降額因子為0.75），所選取的電阻器的額定功率應(yīng)不小于1.33IL2R。

1.2 試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)驗(yàn)證電路原理圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中，F(xiàn)1、F2為兩只額定電流相同的熔斷器，R為限流電阻。在R兩端采用示波器檢測(cè)其承載的電流波形，進(jìn)而可得到F2#熔斷器支路的電流承載情況和熔斷時(shí)間。

1.3 試驗(yàn)樣品的選擇

選擇已進(jìn)入我國(guó)某航天院所合格供方目錄范圍內(nèi)的國(guó)產(chǎn)MFXX型額定電流值為5 A的厚膜表貼式熔斷器 （MFXX-5 A）作為研究對(duì)象，該規(guī)格熔斷器的典型電阻值為15 mΩ；單只該規(guī)格熔斷器在不同過(guò)載電流下的典型熔斷保護(hù)特性如表1所示。從表1中可知，單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點(diǎn)）位于160%～180%額定電流之間。

表1 MFXX-5 A型熔斷器的典型熔斷特性參數(shù)

選取電阻值為150 mΩ，額定功率為5 W的直流電阻作為限流電阻R。考慮到熔斷器的電流降額使用原則，此并聯(lián)電路正常工作的最大負(fù)載電流不會(huì)超過(guò)熔斷器的額定電流值5 A。因此，此限流電阻的額定功率大于1.33IL2R（其中，IL最大為5 A，R為150 mΩ），滿足上述試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)原則。

示波器選用Tektronix DPO 4104B型數(shù)字光譜示波器，測(cè)試探頭采用Tektronix TPP1000 1 GHz探頭。

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

給圖1所示的電路兩端分別施加如表1所示的5～50 A的總負(fù)載電流，通過(guò)示波器分別采集不同電流工況下的R兩端的電流波形圖。根據(jù)R兩端的電流波形圖計(jì)算出F2支路上F2#熔斷器的電流承載情況，并根據(jù)并聯(lián)電路分流原理計(jì)算出F1支路上F1#熔斷器的電流承載情況及其熔斷保護(hù)時(shí)間，以及整體電路的熔斷保護(hù)時(shí)間。通過(guò)對(duì)整體電路的熔斷保護(hù)特性與單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷保護(hù)特性進(jìn)行對(duì)比分析，得出熔斷器串電阻并聯(lián)設(shè)計(jì)使用后對(duì)不同過(guò)載電流工況下的熔斷保護(hù)特性和脈沖承載特性的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在不同的過(guò)載電流工況下，整體并聯(lián)電路的熔斷保護(hù)特性如表2所示。

表2 整體并聯(lián)設(shè)計(jì)電路的熔斷保護(hù)特性

2.2 不同過(guò)載電流工況下的試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 當(dāng)并聯(lián)電路的電流負(fù)載小于等于熔斷器的額定電流時(shí)

當(dāng)電路總負(fù)載電流為5 A時(shí)，根據(jù)示波圖計(jì)算得到F2支路上F2#熔斷器承載的電流為0.63 A。根據(jù)并聯(lián)電路分流原理，F(xiàn)1支路上F1#熔斷器承載的電流應(yīng)為4.37 A，等于其額定電流值的87.4%。由于F1#熔斷器與F2#熔斷器承載的電流均小于MFXX-5 A熔斷器的額定電流值，因此兩只熔斷器均應(yīng)不發(fā)生熔斷現(xiàn)象。示波器實(shí)際測(cè)得F1#和F2#熔斷器均能正常工作30 min以上，不熔斷。

由此可得，在并聯(lián)電路總負(fù)載電流小于等于單只熔斷器的額定電流值時(shí)，此并聯(lián)電路中每只熔斷器均不會(huì)熔斷，并且此并聯(lián)設(shè)計(jì)能為F1支路上的熔斷器起到電流降額使用的作用。

2.2.2 當(dāng)并聯(lián)電路的電流負(fù)載大于熔斷器的額定電流時(shí)

a）當(dāng)并聯(lián)電路的電流負(fù)載介于100%～200%額定電流之間時(shí)

當(dāng)并聯(lián)電路總負(fù)載電流為10 A（200%額定電流）時(shí)，根據(jù)示波圖計(jì)算得到F2支路上F2#熔斷器承載的電流為1.75 A，等于其額定電流值的35%。根據(jù)并聯(lián)電路分流原理，計(jì)算得到F1支路上F1#熔斷器承載的電流應(yīng)為8.25 A，等于其額定電流值的165%。根據(jù)表1中單只MFXX-5 A熔斷器的典型熔斷特性參數(shù)可知，單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點(diǎn)）位于160%～180%額定電流之間，因此在165%額定電流值左右時(shí)，單只MFXX-5 A熔斷器應(yīng)能夠正常工作30 min以上不熔斷；但在200%額定電流值下，單只MFXX-5 A熔斷器約在50 s左右熔斷。實(shí)際示波器測(cè)得F1#和F2#熔斷器均能正常工作30min以上，不熔斷。

由此可得，在并聯(lián)電路總電流負(fù)載小于等于200%額定電流時(shí)，此并聯(lián)電路中每只熔斷器均不會(huì)熔斷。但與單只MFXX-5 A熔斷器典型熔斷特性參數(shù)相比，該并聯(lián)設(shè)計(jì)電路的整體臨界熔斷電流，即熔斷拐點(diǎn)發(fā)生變化。

b）當(dāng)并聯(lián)電路的電流負(fù)載為210%～240%額定電流時(shí)

當(dāng)并聯(lián)電路的總負(fù)載電流為11 A（220%額定電流）時(shí)，實(shí)際示波器測(cè)得F1#和F2#熔斷器均能正常工作30 min以上，不熔斷。

當(dāng)并聯(lián)電路總負(fù)載電流為11.5 A（230%額定電流）時(shí)，示波器測(cè)得的F2支路的電流波形圖如圖2所示。

圖2 總負(fù)載電流為11.5 A時(shí)F2支路的電流波形圖

為了便于分析計(jì)算，將圖2中示波器測(cè)得的F2支路的電流波形圖轉(zhuǎn)化成圖3所示的示意圖。在通電開(kāi)始階段，F(xiàn)2和F1支路進(jìn)行分流，F(xiàn)1支路承載較大的電流。在通電過(guò)程中受發(fā)熱等因素的影響，電路板表面的溫度逐漸地上升，由于厚膜熔斷器熔斷體由正溫度系數(shù)阻值特性的貴金屬制作，當(dāng)溫度升高時(shí)其阻值會(huì)逐漸地增大，因此F1支路承載的電流會(huì)隨時(shí)間的增加而逐漸地略微減小，對(duì)應(yīng)F2支路承載的電流略微增大，即圖3中D波形段所示。在一段時(shí)間D后，F(xiàn)1#熔斷器由于較長(zhǎng)時(shí)間承載較大電流而達(dá)到熔斷點(diǎn)燒斷，此時(shí)F2支路開(kāi)始承載全部電流，F(xiàn)2支路電流瞬間增高，經(jīng)歷一段時(shí)間后過(guò)載熔斷，即圖3中C波形段所示，過(guò)載熔斷時(shí)間為C。通過(guò)以上分析可知，時(shí)間D即為F1#熔斷器的熔斷時(shí)間，時(shí)間C為F2#熔斷器的熔斷時(shí)間。

圖3 F2支路的電流波形示意圖

當(dāng)并聯(lián)電路總負(fù)載電流為11.5 A（230%額定電流）時(shí)，根據(jù)電流示波圖計(jì)算出F1#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為463.6 s，F(xiàn)2#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為2.4 s。由此可得，與單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點(diǎn)）位于160%～180%額定電流之間相比，該并聯(lián)設(shè)計(jì)電路的整體臨界熔斷電流增大至位于220%～230%額定電流之間。

c）當(dāng)并聯(lián)電路的電流負(fù)載為250%、400%、600%額定電流時(shí)

當(dāng)并聯(lián)電路總負(fù)載電流為12.5 A（250%額定電流）時(shí)，根據(jù)電流示波圖計(jì)算出F1#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為76.4 s，F(xiàn)2#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為0.5 s。并聯(lián)電路整體熔斷時(shí)間為76.8 s，是單只MFXX-5 A熔斷器在250%額定電流下的典型熔斷時(shí)間0.3 s的256倍。

當(dāng)并聯(lián)電路總負(fù)載電流為20 A（400%額定電流）時(shí)，根據(jù)電流示波圖計(jì)算出F1#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為23.3 ms，F(xiàn)2#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為3.3 ms。并聯(lián)電路整體熔斷時(shí)間為26.6 ms，是單只MFXX-5 A熔斷器在400%額定電流下的典型熔斷時(shí)間2.5 ms的10.6倍。

當(dāng)并聯(lián)電路總負(fù)載電流為30 A（600%額定電流）時(shí)，根據(jù)電流示波圖計(jì)算出F1#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為0.91 ms，F(xiàn)2#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為0.34 ms。并聯(lián)電路整體熔斷時(shí)間為1.25 ms，是單只MFXX-5 A熔斷器在600%額定電流下的典型熔斷時(shí)間0.4 ms的3.1倍。

由此可得，與單只MFXX-5 A熔斷器的典型熔斷特性參數(shù)相比，在250%～600%額定電流范圍內(nèi)，該并聯(lián)設(shè)計(jì)電路的整體熔斷時(shí)間較單只熔斷器的典型熔斷時(shí)間有較大的延長(zhǎng)，即前者約為后者的3～256倍。

需要注意的是，由于并聯(lián)設(shè)計(jì)電路的整體熔斷時(shí)間較單只熔斷器的典型熔斷時(shí)間均有較大的延長(zhǎng)，一方面有利于延長(zhǎng)該電路承受非故障浪涌脈沖電流的時(shí)間，提高其抗浪涌脈沖電流的能力和承載功能；另一方面，當(dāng)電路出現(xiàn)較大的故障過(guò)載電流時(shí)，不利于該電路迅速、及時(shí)、可靠地切斷故障電流，即熔斷器的熔斷保護(hù)功能會(huì)受到影響。

d）當(dāng)并聯(lián)電路的電流負(fù)載為1 000%額定電流時(shí)

當(dāng)并聯(lián)電路總負(fù)載電流為50 A（1 000%額定電流）時(shí)，示波器測(cè)得的F2支路的電流波形圖如圖4所示。

圖4 總負(fù)載電流為50 A時(shí)F2支路的電流波形圖

根據(jù)電流示波圖計(jì)算出F1#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為0.18 ms，F(xiàn)2#熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間為0.12 ms。并聯(lián)電路整體熔斷時(shí)間為0.3 ms，是單只MFXX-5 A熔斷器在1 000%額定電流下的典型熔斷時(shí)間0.12 ms的2.5倍。

由此可以推測(cè)，當(dāng)電路中的故障過(guò)載電流越大時(shí)，熔斷器采用并聯(lián)設(shè)計(jì)使用的整體熔斷時(shí)間將越接近單只熔斷器的典型熔斷時(shí)間的2倍。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)國(guó)產(chǎn)厚膜熔斷器采用串電阻并聯(lián)設(shè)計(jì)使用與單只熔斷器單獨(dú)使用條件下，在不同過(guò)載電流工況下的熔斷保護(hù)特性和脈沖承載特性進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了如下結(jié)論。

a）當(dāng)并聯(lián)電路的負(fù)載電流小于等于單只熔斷器的額定電流值時(shí)，并聯(lián)設(shè)計(jì)使用將可以為支路上的熔斷器起到電流降額作用。

b）與單只熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點(diǎn)）相比，并聯(lián)設(shè)計(jì)使用將使電路的整體臨界熔斷電流增大。

c）并聯(lián)設(shè)計(jì)電路的整體熔斷時(shí)間較單只熔斷器的典型熔斷時(shí)間有較大的延長(zhǎng)，一方面有利于延長(zhǎng)電路承受非故障浪涌脈沖電流的時(shí)間，提高其抗浪涌脈沖電流的能力和承載功能；另一方面，當(dāng)電路出現(xiàn)較大的故障過(guò)載電流時(shí)，不利于該電路迅速、及時(shí)、可靠地切斷故障電流，即熔斷器的熔斷保護(hù)功能會(huì)受到影響。

d）電路中的過(guò)載電流越大，并聯(lián)設(shè)計(jì)電路的整體熔斷時(shí)間將越接近單只熔斷器的典型熔斷時(shí)間的2倍。