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(hù)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(yīng)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(hù)整體電路的安全。

目前，國內(nèi)有多家單位在進(jìn)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(yàn)是考核熔斷器過電流特性的關(guān)鍵試驗(yàn)。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(yàn)方法，但是缺少對過載熔斷試驗(yàn)設(shè)備的要求[2-4]。目前可用于過載熔斷試驗(yàn)的試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)的試驗(yàn)電源的選用問題，本研究選用以上3種類型的試驗(yàn)電源進(jìn)行了過載熔斷試驗(yàn)，根據(jù)3種電源的試驗(yàn)結(jié)果得出了影響過載熔斷試驗(yàn)結(jié)果的因素，并提出過載熔斷試驗(yàn)的試驗(yàn)電源的選用原則。

1 熔斷器熔斷機(jī)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(xué)溫度；

t——時間；

I2R——電轉(zhuǎn)化為熱能的速率。

當(dāng)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(dāng)產(chǎn)生熱量的速度小于散熱速度時，熔絲是不會熔斷的；當(dāng)產(chǎn)生熱量的速度等于散熱速率時，在相當(dāng)長的時間內(nèi)熔絲也不會熔斷；當(dāng)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(dǎo)致熔絲溫度升高，當(dāng)溫度升高到熔絲金屬的熔點(diǎn)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(jìn)行，即傳導(dǎo)、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(dāng)溫度差越大時，傳熱的速率亦越大。傳導(dǎo)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(qiáng)制對流，即由電子器件內(nèi)的排風(fēng)扇強(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(jìn)行傳導(dǎo)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(yàn)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(shí)測熔斷時間通常會比合格判據(jù)低一個數(shù)量級，所以進(jìn)行高可靠小型熔斷器過載熔斷試驗(yàn)時，熔絲熱量的產(chǎn)生速率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于散熱速率，熔斷器的熔絲會迅速地達(dá)到熔點(diǎn)使熔斷器斷開。

在實(shí)際的工作電路中，由于開關(guān)動作、負(fù)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(dāng)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(yàn)電路中應(yīng)盡量地避免電流脈沖的出現(xiàn)[5-6]。

2 過載熔斷試驗(yàn)研究

試驗(yàn)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(yàn)電源 (電子電源、蓄電池組電源和電容器組電源)上進(jìn)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(fù)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(dá)350 V，最大輸出電流為1 000 A。試驗(yàn)線路示意圖如圖1所示，試驗(yàn)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(yàn)電流為5、8、12 A和額定電流為3.5 A的熔斷器在試驗(yàn)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(biāo)

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(yàn)結(jié)果分析

3.1 影響因素分析

將每只樣品分別接入試驗(yàn)電路中并施加相應(yīng)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(jìn)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(yàn)不能考核出熔斷器的真實(shí)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(yàn)結(jié)果

表4 3216/F-125 V-3.5 A的過載熔斷試驗(yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)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(yàn)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(fù)載規(guī)格關(guān)系不大，進(jìn)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(yàn)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(yàn)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(jìn)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(yàn)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(jìn)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(fù)載電路的影響較大，所以，在使用前應(yīng)了解其負(fù)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(yàn)電源對過載熔斷試驗(yàn)結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵影響因素，并相應(yīng)地提出了過載熔斷試驗(yàn)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)。