黃露超 黃慶明 谷 荀

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，電冰箱作為最常用的家電產(chǎn)品步入千家萬戶，在日常生活中使用廣泛。壓縮機(jī)是電冰箱最核心的部件，而PTC型啟動器是壓縮機(jī)最常使用的一個元件。當(dāng)PTC型啟動器受到異常高電壓時，會沖擊內(nèi)部的熱敏元件，造成PTC芯片的損壞，同時會產(chǎn)生強(qiáng)大的電能，聚集的能量瞬間產(chǎn)生電弧，進(jìn)而引起附近可燃性材料起火并可能造成火災(zāi)。針對以上可能出現(xiàn)的情況，本文從PTC型啟動器特性和PTC型啟動器（PTCR）高電壓測試出發(fā)，給出了產(chǎn)品的測試結(jié)果數(shù)據(jù)，驗證了PTC型啟動器在高電壓下進(jìn)行測試的重要性。

1 PTC型啟動器特性

PTC（Positive Temperature Coefficient）即正溫度系數(shù)，也可泛指具有正溫度系數(shù)的半導(dǎo)體或元器件。PTC熱敏電阻是電阻值隨溫度上升而發(fā)生顯著變化的一類半導(dǎo)體電阻，按照制造材料主要分為陶瓷PTC熱敏電阻和有機(jī)聚合物PTC熱敏電阻兩類。其中有機(jī)聚合物PTC熱敏電阻是將碳粉與高分子聚合物進(jìn)行混合壓制形成，在常溫狀態(tài)下碳粉構(gòu)成可導(dǎo)電的碳鏈，電阻值較低；溫度升高，聚合物膨脹使碳鏈斷裂，電阻值迅速增大。陶瓷PTC熱敏電阻是具有正溫度系數(shù)的無機(jī)材料（如鈦酸鋇）經(jīng)過高溫?zé)乒に囍瞥?。高分子PTC熱敏電阻的熱容較小，電阻值突變速度快，因而在沖擊后恢復(fù)時間更短。但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)造易受沖擊影響，每次沖擊后電阻值增大，無法恢復(fù)成原始值。陶瓷PTC相對制造工藝簡單，造價便宜，且經(jīng)受多次沖擊電阻值變化不大。但在高溫下易出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)。

PTC熱敏電阻的特性主要有電阻-溫度特性（阻溫特性）和電壓-電流特性（伏安特性）。阻溫特性是指在某電壓下，PTC熱敏電阻零功率電阻值與溫度間的依賴關(guān)系[1]。如圖1所示，在一定溫度范圍內(nèi)，電阻值變化不大；而超過居里溫度點后，阻值隨溫度顯著增大，直到達(dá)到最大電阻。阻溫特性曲線的陡峭程度由溫度系數(shù)α表示，α越大，意味著PTC熱敏電阻對于溫度變化的反應(yīng)越靈敏，PTC效應(yīng)越顯著，即熱敏電阻性能越好。溫度系數(shù)定義為溫度變化導(dǎo)致的電阻值變化，公式為：

圖1 PTC熱敏電阻阻溫特性曲線

一般情況下，T1取Tc+15 ℃，T2取Tc+25 ℃計算。

PTC熱敏電阻的伏安特性指在25 ℃靜止空氣中，達(dá)到熱平衡狀態(tài)下的電阻兩端電壓與電流之間的依賴關(guān)系。如圖2所示，在0～VK范圍內(nèi)，電壓與電流近似呈線性關(guān)系，此時電阻值幾乎不變，稱為不動作區(qū)；在VK～Vmax區(qū)域，由于溫度升高，電阻值迅速增大發(fā)生躍變，此時電流隨電壓增大而減小，該區(qū)域稱為動作區(qū)。當(dāng)電壓增大到VD后，PTC熱敏電阻被擊穿。VD稱為擊穿電壓。

圖2 PTC熱敏電阻伏安特性曲線

PTC型啟動器在壓縮機(jī)回路中的連接方式如圖3所示。啟動器直接與壓縮機(jī)次繞組（啟動繞組）串聯(lián)，再與電機(jī)主繞組（運(yùn)行繞組）并聯(lián)。電壓加到壓縮機(jī)兩個繞組上，由于分相作用，兩繞組間產(chǎn)生相位差，從而形成橢圓旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，帶動壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此時啟動器上電阻很小，一般為幾十歐。啟動過程中的電流比正常運(yùn)行電流高4～6倍，大電流使得PTC型啟動器上溫度迅速升高，超過居里溫度點后，電阻值躍變，可達(dá)到數(shù)萬歐[2]。這時電流極小，可忽略不計，啟動繞組回路近似為開路。之后運(yùn)行繞組帶動壓縮機(jī)正常運(yùn)行。

圖3 PTC型啟動器在壓縮機(jī)回路的連接示意圖

2 PTC型啟動器（PTCR）測試方法

PTC型啟動器（PTCR）在受到異常高電壓沖擊時芯片會被擊穿、炸裂，引起PTC型啟動器局部高溫；此外，PTC芯片炸裂后有可能出現(xiàn)電路短路，在異常高電壓沖擊下存在火災(zāi)隱患。綜上所述，對PTC型啟動器進(jìn)行高電壓測試，驗證其是否符合UL 60335-2-34[3]標(biāo)準(zhǔn)要求。

第一步，使用高電壓損壞PTC芯片。首先用毫歐計測量PTC型啟動器的電阻值并記錄，PTC型啟動器組件應(yīng)安裝在電動壓縮機(jī)上，PTC型啟動器連接到壓縮機(jī)玻璃端子上，連接電源線并且裝配好壓縮機(jī)的接線盒，接線盒外表面應(yīng)用一塊紗布覆蓋，紗布的選擇要求需要滿足UL 60335-2-34[3]標(biāo)準(zhǔn)5.104的條款。紗布應(yīng)與接線盒外殼的外表面及壓縮機(jī)殼體的鄰近表面密切接觸，縫隙處應(yīng)包裹嚴(yán)實。紗布是否起燃是判斷PTC型啟動器是否滿足UL 60335-2-34標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

在額定電壓下，PTC型啟動器組件的電壓勻速每2 min增加50 V，直到啟動器從低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)。當(dāng)小于PTC型啟動器額定電壓的三倍，則電壓均以勻速每2 min增加50 V施加，直到達(dá)到啟動器額定電壓的三倍，則該電壓應(yīng)保持不少于6 min。當(dāng)?shù)扔诨虺^PTC型啟動器額定電壓（整機(jī)額定電壓）的三倍，則該電壓保持不少于6 min。

然后以同樣的速率（勻速每2 min增加50 V）增加PTC型啟動器兩端的電壓，直到PTC型啟動器出現(xiàn)以下狀態(tài)：開路或短路，或者PTC型啟動器進(jìn)入負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，產(chǎn)生熱失控。當(dāng)其中一種情況發(fā)生時，在最后施加的電壓應(yīng)額外保持2 min，在試驗過程中均不能引燃紗布。

第二步，在第一步測試后，PTC型啟動器沒有開路的情況下，則需要進(jìn)行第二步的測試。啟動器應(yīng)與電阻性負(fù)載串聯(lián)，在施加額定電壓時允許最大持續(xù)電流通過啟動器。額定電壓應(yīng)施加到電路開路，或直到紗布起燃，或至少持續(xù)8 h為止。如果紗布著火，應(yīng)盡快將火撲滅。在試驗期間可以使用自復(fù)位熱電動機(jī)保護(hù)器。在測試過程中，壓縮機(jī)繞組從電路中移除，取而代之的是使用電阻性負(fù)載，以確保最大持續(xù)電流值。

圖4 第一步測試參考電路

圖5 第二步測試參考電路

3 試驗結(jié)果

對PTC型啟動器分40個進(jìn)行了上述測試，共出現(xiàn)兩種測試結(jié)果：

1）PTC型啟動器碎裂造成開路，紗布未引燃。此時不造成高溫風(fēng)險，因此判定為合格。合格率為75 %。如圖6所示。

圖6 PTC型啟動器碎裂造成開路

2）PTC型啟動器短路，造成紗布燃燒。此時啟動器迅速達(dá)到高溫，溫度足以引燃紗布，在現(xiàn)實使用場景中會造成巨大的安全風(fēng)險，因此認(rèn)定為不合格。產(chǎn)品的不合格率達(dá)到25 %。其測試現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 PTC型啟動器短路造成紗布燃燒

由以上數(shù)據(jù)可得，在短路時，PTC型啟動器迅速到達(dá)高溫，多數(shù)情況下溫度足以引燃紗布。在實際應(yīng)用場景中，這一現(xiàn)象將造成巨大的安全風(fēng)險。因此，對PTC型啟動器進(jìn)行高電壓測試是安全測試中不可忽視的一個環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

目前，PTC型啟動器應(yīng)用在冰箱壓縮機(jī)中數(shù)量較大，因此，對PTC型啟動器的安全測試也備受關(guān)注。本文從PTC型啟動器特性方面進(jìn)行分析研究，對部分產(chǎn)品進(jìn)行了高電壓測試，在40個檢測樣品中檢測出不合格率高達(dá)25 %。在實際應(yīng)用場景中，不合格的PTC型啟動器很可能導(dǎo)致短路高溫，造成安全事故。因此，對PTC型啟動器進(jìn)行高電壓測試是有必要的。本文驗證了PTC型啟動器高電壓測試的重要性，致力于為壓縮機(jī)PTC型啟動器的測試提供參考依據(jù)，并推動制冷行業(yè)在可靠性方面的發(fā)展。