CN114730679B - 具有正温度系数装置和备用熔断器的电路保护装置 - Google Patents

Abstract

一种电路保护装置，包括彼此串联电连接的正温度系数(PTC)装置和备用熔断器，所述备用熔断器包括一定量的焊料，所述焊料设置在介电芯片上并且具有高于所述正温度系数装置的跳闸温度的熔化温度，其中所述介电芯片的表面相对于所述焊料呈现去湿特性，使得当所述焊料熔化时，所述焊料从所述表面脱离以在所述备用熔断器中建立电开路。

Description

具有正温度系数装置和备用熔断器的电路保护装置

技术领域

本公开总体上涉及电路保护装置的领域。更具体地，本公开涉及一种电路保护装置，其包括正温度系数装置和备用熔断器，用于在极端故障条件下促进电开路。

背景技术

熔断器通常用作电路保护装置，并且通常安装在电力源和待保护电路中的部件之间。常规熔断器包括设置在中空、电绝缘熔断器本体内的可熔元件。一旦出现故障状况，比如过电流状况，可熔元件熔化或以其他方式分离，以中断通过熔断器的电流的流动。

当熔断器的可熔元件由于过电流状况而分离时，电弧有时可能通过可熔元件的分离部分之间的空气传播(例如，通过熔化的可熔元件的气化颗粒)。如果不灭弧，尽管可熔元件物理断开，该电弧可能允许后续电流从电力源流向电路中的受保护部件，从而导致受保护部件的损坏。

已实施来消除熔断器中电弧放电的一种解决方案是用正温度系数(PTC)元件代替熔断器的可熔元件。正温度系数元件由正温度系数材料形成，该正温度系数材料由悬浮在非导电介质(例如聚合物)中的导电颗粒构成。正温度系数材料在正常操作温度范围内呈现相对较低的电阻。然而，当正温度系数材料的温度超过正常操作温度范围并达到“跳闸温度”时(比如可能源自流动通过正温度系数材料的电流过大)，正温度系数材料的电阻急剧增加。电阻的增加减轻或阻止通过正温度系数元件的电流流动。随后，当正温度系数材料冷却时(例如当过电流状况消退时)，正温度系数材料的电阻降低，并且正温度系数元件变得再次导电。正温度系数元件因此充当可复位的熔断器。由于正温度系数元件不会以可熔元件的方式物理断开，因此电弧没有机会形成或传播。

虽然正温度系数元件已被证明能够有效地在电路中提供过电流保护同时减轻电弧放电，但当遭受极端故障状况时，它们也易于以不可预测的方式失效。例如，如果正温度系数元件经受的电流量远高于其额定容量，则在某些情况下，正温度系数元件可能以导致正温度系数元件变得高度导电并允许过电流流向已连接装置的方式失效(即，在闭合状态中失效，或称为“闭合失效”)。极端过电流状况也可能导致正温度系数元件的燃烧，从而可能损坏周围部件。因此，期望提供一种电路保护装置，其利用正温度系数元件的电弧缓解益处，同时确保极端故障状况不会导致正温度系数元件以危险性或灾难性的方式失效。就这些和其它考虑而言，本发明的改进可以是有用的。

发明内容

本概述部分被提供来以简化形式引入一些构思，其将在以下在具体实施方式中被进一步描述。本概述部分不旨在确认本发明主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定本发明主题的范围。

根据本公开的非限制性实施例的一个电路保护装置可以包括彼此串联电连接的正温度系数(PTC)装置和备用熔断器，所述备用熔断器包括一定量的焊料，所述焊料设置在介电芯片上并且具有高于所述正温度系数装置的跳闸温度的熔化温度，其中所述介电芯片的表面相对于所述焊料呈现去湿特性，使得当所述焊料熔化时，所述焊料从所述表面脱离以在所述备用熔断器中建立电开路。

根据本公开的非限制性实施例的另一电路保护装置可以包括彼此串联电连接的正温度系数(PTC)装置和备用熔断器，所述备用熔断器包括筒式熔断器，所述筒式熔断器的可熔元件具有高于所述正温度系数装置的跳闸温度的熔化温度，其中所述筒式熔断器的熔断器本体相对于所述可熔元件呈现去湿特性，使得当所述可熔元件熔化时，所述可熔元件从所述熔断器本体的表面脱离，以在所述可熔元件中建立电开路。

附图说明

图1是示出根据本公开的示例性实施例的电路保护装置的侧视图；

图2是示出图1所示的电路保护装置的侧视图，其中电路保护装置的备用熔断器处于断开状态；

图3是示出根据本公开的另一示例性实施例的电路保护装置的侧视图；

图4是示出根据本公开的另一示例性实施例的电路保护装置的侧视图。

具体实施方式

现在将参照附图在下文中更全面地描述根据本公开的电路保护装置的示例性实施例。然而，电路保护装置可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开将电路保护装置的某些示例性方面传达给本领域的技术人员。

参考图1，示出了侧视图，其展示根据本公开的示例性实施例的电路保护装置10(以下称为“装置10”)。装置10可以大体上包括正温度系数(PTC)装置12、介电芯片14和备用熔断器16。为了方便和清楚起见，比如“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“高于”、“低于”等术语可以在本文中用于描述装置10的各种部件的相对位置和取向，每个部件都是相对于如图1所示的装置10的几何结构和取向。所述术语将包括具体提及的词语、其衍生词、以及有类似含义的词语。

正温度系数装置12可以是层叠结构，其大体上包括正温度系数元件18，在其顶部表面和底部表面上设置有导电的顶部电极20和底部电极22。顶部电极20和底部电极22可以由任何合适的导电材料形成，包括但不限于铜、金、银、镍、锡等。正温度系数元件18可以由任何类型的正温度系数材料(例如聚合正温度系数材料、陶瓷正温度系数材料等)形成，其被配制成具有随着正温度系数元件18的温度增加而增加的电阻。特别地，正温度系数元件18可以具有预定的“跳闸温度”，高于该跳闸温度，正温度系数元件18的电阻会快速地且急剧地增加(例如以非线性方式)，以便基本上阻止电流通过其中。在装置10的非限制性示例性实施例中，正温度系数元件18可以具有80摄氏度至130摄氏度范围内的跳闸温度。

介电芯片14可以是基本上平坦的构件，其设置在顶部电极20顶上并且通过一层导热膏23或其他导热介质固定到其上。介电芯片14可以由低表面能、电绝缘、耐热的材料形成。这种材料的示例包括但不限于全氟烷氧基(PFA)、乙烯四氟乙烯(ETFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。

备用熔断器16可以由设置在介电芯片14的顶部表面上的一定量的焊料形成。导电迹线或引线25可以从备用熔断器16延伸到介电芯片14的一侧周围，并与正温度系数装置12的顶部电极20形成电连接(例如，经由焊料连接)。导电的第一和第二引线线材26、28可以分别从正温度系数装置12的底部电极22和备用熔断器16延伸，以便于装置10在电路内的电连接。因此，备用熔断器16、引线25和正温度系数装置12可以串联电连接，并且可以在第一和第二引线线材26、28之间提供电流路径。在各种实施例中，备用熔断器16可以覆盖有介电钝化层29，用于保护备用熔断器16免受外部污染物的影响并与外部部件短路。钝化层29可以由环氧树脂、聚酰亚胺等或其他材料形成，这些材料可以相对于备用熔断器16呈现“去湿”特性，如以下进一步描述的。

形成备用熔断器16的焊料可以选择为具有熔化温度，其显著高于正温度系数元件18的跳闸温度。具体地，焊料可以具有跳闸温度，其高于正温度系数装置12已知的以可靠方式工作的温度范围，在下文中称为正温度系数装置12的“正常跳闸温度范围”。在各种实施例中，焊料可以具有熔化温度，其处于比正温度系数元件18的正常跳闸温度范围高1摄氏度至100摄氏度的范围中。因此，如果过大的电流流动通过备用熔断器16和正温度系数装置12，则正温度系数元件18可以发热并达到其跳闸温度，从而在备用熔断器16被充分加热到熔化之前阻止流过其中的电流(如下文更详细描述的)。然而，在极端故障状况下(例如极端过电流状况)，其中正温度系数元件18可能被加热到超过其跳闸温度的温度(例如超过其跳闸温度数百摄氏度)，由极端故障状况产生的热量(包括由正温度系数元件18发出的热量)可能足以如下文进一步描述那样在pPTC中的聚合物被点燃之前熔化备用熔断器16。

形成备用熔断器16的焊料和形成介电芯片14的材料可以选择成使得当焊料处于熔化或半熔化状态时，焊料可能反感于或倾向于远离或迎上介电芯片14的表面。也就是说，介电芯片14的材料可以相对于形成备用熔断器16的焊料呈现显著的“去湿”特性。在一个示例中，介电芯片14可以由PFA形成，并且焊料可以是SAC305焊料。在另一个示例中，介电芯片14可以由ETFE形成，并且焊料可以是共晶焊料。在另一个示例中，介电芯片14可以由Fr-4、PI(聚酰亚胺)形成，并且焊料可以是高熔点焊料(即熔化温度高于260摄氏度的焊料)。本公开在这方面没有限制。

在正常操作期间，装置10可以通过引线线材26、28连接在电路中(例如在电力源和负载之间)，并且电流可以通过包括备用熔断器16、引线25和正温度系数装置12的路径在引线线材26、28之间流动。在发生过电流状况时，其中流过装置10的电流导致正温度系数元件18达到其正常跳闸温度范围内的温度，正温度系数元件18的电阻可以快速增加并基本上阻止流过其中的电流，从而保护连接的电路部件免受原本可能由过电流状况导致的损坏。一旦过电流状况消退并且正温度系数元件18冷却到低于其正常跳闸温度范围的温度，正温度系数元件18可以变得再次导电，并且装置10可以恢复正常操作。然而，在出现极端过电流状况时，其中流动通过装置10的电流导致正温度系数元件18达到高于其正常跳闸温度范围的温度，潜在地导致正温度系数元件18以不可预测的方式燃烧或失效，备用熔断器16可以熔化或以其他方式分离，如图2所示。因此，备用熔断器16确保在极端过电流状况下，即使正温度系数元件18在闭合状态下失效(“失效闭合”)，流动通过装置10的电流也会被阻止，从而防止或减轻正温度系数元件18的燃烧和/或对已连接的和周围的电路部件的损坏。

附加地，由于介电芯片14的低表面能以及介电芯片14和钝化层29相对于备用熔断器16(如上所述)的熔化或半熔化焊料的厌恶“去湿”特性，备用熔断器16的分离部分16a、16b可能彼此远离并远离钝化层29和介电芯片14的表面，并且可能分别积聚在引线25和引线线材26上，从而在装置10中提供电开路(即永久性、不可复位的开路)。因此，即使在过电流状况消退并且正温度系数元件18冷却到低于其跳闸温度并变得再次导电之后，备用熔断器16的分离部分16a、16b在装置10中提供并保持电开路，使得电流不能流动通过装置10。

参考图3，提供了装置10的替代实施例，其中引线25和引线线材26分别终止于网状触点30、32，并且其中备用熔断器16在网状触点30、32之间延伸。在各种实施例中，网状触点30、32可以由铜网、银网、金网等形成。本公开在这方面没有限制。网状触点30、32可以提供增加的表面积(相对于传统实心线材或引线)，用于在焊料熔化后吸收或收集备用熔断器16的焊料，从而增强备用熔断器16的电分离。

参考图4，提供了装置10的另一个替代实施例，其中用筒式熔断器40代替图1和图2中所示的介电芯片14、备用熔断器16和钝化层29。筒式熔断器40可以包括介电熔断器本体42，该介电熔断器本体在其相对端部处具有分别连接到引线25和引线线材26的导电端子44、46。筒式熔断器40可以进一步包括在端子44、46之间延伸穿过熔断器本体42的可熔元件48。类似于上述备用熔断器16，可熔元件48可以具有高于正温度系数元件18的正常跳闸温度范围的熔化温度。更进一步，形成可熔元件48的材料和形成熔断器本体42的材料可以选择成使得当可熔元件48处于熔化或半熔化状态时，可熔元件48可以反感于或倾向于远离或迎上熔断器本体42的表面。也就是说，熔断器本体42的材料可以相对于形成可熔元件48的材料呈现显著的“去湿”特性。因此，在可熔元件48的熔化部分在可熔元件48断开时沉积在熔断器本体42的内表面上的情况下，这种熔化部分可以从熔断器本体42的内表面脱离并迁移到端子44、46，以促进筒式熔断器40中的电开路。

鉴于上述内容，本领域普通技术人员将会理解的是，本公开的装置10提供了优点在于它在受到大多数过电流状况时有助于可复位的过电流保护并且有效地防止或减轻电弧放电，并且还在极端过电流状况发生时提供电开路，以防止或减轻正温度系数元件18的危险性或灾难性故障。

如本文中使用的，以单数叙述并以词语“一”或“一个”开头的要素或步骤应该被理解为不排除多个要素或步骤，除非明确叙述了这种排除。更进一步，对本公开的“一个实施例”的提及并不旨在解释为排除附加实施例(其也包含所列举的特征)的存在。

虽然本公开谈及了某些实施例，在不脱离如所附权利要求书中限定的本公开的领域和范围的情况下，对所描述的实施例的许多修改、变更和改变是可行的。因此，希望的是本公开不限于所描述的实施例，而是具有由所附权利要求书及其等同方案的语言限定的全部范围。

Claims (7)

1.一种电路保护装置，包括彼此串联电连接的正温度系数装置和备用熔断器，所述备用熔断器包括筒式熔断器，所述筒式熔断器的可熔元件具有高于所述正温度系数装置的跳闸温度的熔化温度，其中所述筒式熔断器的熔断器本体相对于所述可熔元件呈现去湿特性，使得当所述可熔元件熔化时，所述可熔元件从所述熔断器本体的表面脱离，以在所述可熔元件中建立电开路。

2.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述筒式熔断器紧固到所述正温度系数装置。

3.根据权利要求2所述的电路保护装置，其中，所述筒式熔断器通过导热介质紧固到所述正温度系数装置的电极。

4.根据权利要求3所述的电路保护装置，其中所述导热介质为导热膏。

5.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述备用熔断器通过引线连接到所述正温度系数装置的第一电极，所述电路保护装置进一步包括电连接到所述筒式熔断器的第一引线线材和电连接到所述正温度系数装置的第二电极的第二引线线材，其中所述第一引线线材和所述第二引线线材有助于所述电路保护装置在电路内的电连接。

6.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述可熔元件具有熔化温度，该熔化温度处于比所述正温度系数装置的正常跳闸温度范围高1摄氏度至200摄氏度的范围中。

7.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述可熔元件具有熔化温度，该熔化温度高于所述正温度系数装置的正常跳闸温度范围。