CN113811974B

CN113811974B - 具备ptc元件及二次熔断器的电路保护装置

Info

Publication number: CN113811974B
Application number: CN202080034697.8A
Authority: CN
Inventors: 尤里·鲍里索维奇·马图斯; 马丁·皮内达; 凯达尔·V·巴塔瓦德卡尔
Original assignee: Littelfuse Inc
Current assignee: Littelfuse Inc
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2024-08-06
Anticipated expiration: 2040-05-11
Also published as: DE112020002298T5; WO2020227708A1; US10895609B2; CN113811974A; US20200355736A1

Abstract

一种电路保护装置，包括：一次熔断器，以及正温度系数(PTC)装置和二次熔断器，其彼此串联地电连接且与一次熔断器并联地电连接，二次熔断器由布置在介电表面上的一定量的焊料形成，其中，介电表面表现出相对于焊料的去湿特性，使得当焊料被熔化时，焊料从介电表面离开以产生电流开口。

Description

具备PTC元件及二次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，其包括正温度系数元件和二次熔断器，以用于促进电弧猝熄和电流开口。

背景技术

熔断器一般用作电路保护装置，并且通常安装在电源与要被保护的电路中的组件之间。常规的熔断器包括布置在中空、电绝缘的熔断器主体内的可熔元件。在发生诸如过电流状况的故障状况时，可熔元件熔化或以其它方式分离以中断电流流经熔断器。

在当熔断器的可熔元件由于过电流状况分离时，电弧有时可能会通过空气在可熔元件的分离部分之间传播(例如，通过熔化的可熔元件的汽化颗粒)。如果不被熄灭，电弧可能允许大量的后续电流从电源流向电路中的保护组件，从而尽管物理断开可熔元件，但仍会导致保护组件的损坏。

为了消除熔断器中的电弧而实施的一种解决方案是采用正温度系数(PTC)元件代替熔断器的可熔元件。PTC元件由PTC材料形成，PTC材料由悬浮在非导电介质中的导电颗粒(例如聚合物)组成。PTC材料表现出在正常工作温度范围内相对较低的电阻值。然而，当PTC材料的温度超过正常工作温度范围并达到“跳闸温度”时，诸如可能由过量电流流经PTC材料导致，PTC材料的电阻值会急剧增加。该电阻值的增加会减轻或抑制电流流经PTC元件。随后，当PTC材料冷却(例如，当过电流状况消退时)，PTC材料的电阻值减少，并且PTC元件再次变为导电性。因此，PTC元件充当了一种可重置的熔断器。由于PTC元件不是以可熔元件的方式物理断开，所以电弧也不会有机会形成或传播。

虽然PTC元件已经被证明对于减轻电路中的电弧是有效的，但是存在着许多应用，期望在发生过电流状况时实现电路中的电流开口(即，永久的、不可重置的断开)。PTC元件因为其“可重置的”性质并不提供电流开口。因此，期望一种有效地防止或减轻电弧并且还在发生过电流状况时提供电流开口的电路保护装置。

正是关于这些以及其它考虑，本改进可能是有用的。

发明内容

提供本发明内容，是为了以简化的形式介绍概念的选择，这在下面的详细描述中将进一步进行描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作协助确定所要求保护的主题的范围。

根据本公开的非限制性实施例的一种电路保护装置可以包括：一次熔断器，以及正温度系数(PTC)装置和二次熔断器，其彼此串联地电连接且与一次熔断器并联地电连接，二次熔断器由布置在介电表面上的一定量的焊料形成，其中，介电表面表现出相对于焊料的去湿特性，使得当焊料被熔化时，焊料从介电表面离开以产生电流开口。

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：介电基板；一次熔断器，其被布置在介电基板的第一侧上，并且具有电连接到介电基板上的相应的第一和第二导电迹线第一和第二端子；正温度系数(PTC)装置和二次熔断器，其彼此串联地电连接且与一次熔断器并联地电连接，PTC装置由覆盖PTC装置的一端的介电盖被附接到介电基板的第二侧，二次熔断器由从PTC装置的第一电极延伸到介电盖上的一定量的焊料形成，其中，介电盖表现出相对于焊料的去湿特性，使得当焊料被熔化时，焊料从介电盖离开以产生电流开口；以及第一导线和第二导线，其用于电连接电路内的电路保护装置，其中，第一导线被电连接到一次熔断器的第一端子且被电连接到第二熔断器，并且第二导线被电连接到一次熔断器的第二端子且被电连接到PTC装置的第二电极，其中，第一和第二导线分别由在介电基板形成的第一和第二导电孔被连接到一次熔断器的第一和第二端子。

附图说明

图1是示出了根据本公开的示例性实施例的电路保护装置的横截面侧视图；

图2是示出了在电路保护装置的一次熔断器处于断开状态的情况下的图1中所示出的电路保护装置的横截面侧视图；

图3是示出了在电路保护装置的一次熔断器和二次熔断器两者都处于断开状态的情况下的图1和2中所示出的电路保护装置的横截面侧视图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图，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，电路保护装置可体现为许多不同的形式，并且不应被解释为受限于本文中所阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将向本领域技术人员传达电路保护装置的特定示例性方面。

参考图1，示出了说明根据本公开的示例性实施例的电路保护装置10(在下文中，称为“装置10”)的横截面侧视图。装置10总体上可以包括：介电基板12、一次熔断器14、正温度系数(PTC)装置16、介电盖18以及二次熔断器20。为了方便和清楚起见，诸如“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“左”和“右”的术语在本文中可用于描述装置10的各种组件的相对位置和方向，相对位置和方向中的每个都相对于装置10的几何形状和方向，如其在图1中呈现的。所述术语将包括具体提及的词语、其派生词以及类似含义的词语。

介电基板12可以是由电绝缘的、耐热材料形成的，基本上为平面的构件。在特定实施例中，介电基板12可以由诸如FR-4的环氧玻璃布层压材料形成。本公开不受限于这方面，并且预期介电基板12可以可替选地由各种其它电绝缘材料形成，包括但不限于各种陶瓷、塑料、复合材料等。

一次熔断器可以被布置在介电基板12的顶部表面上，并且可以包括可熔元件22，可熔元件22在熔断器主体24的相对端处延伸穿过第一和第二导电端子26、28之间的介电熔断器主体24。在各种实施例中，一次熔断器14可以是常规的表面安装式熔断器、管式熔断器或诸如此类。端子26、28可以被电连接(例如，焊接)到沿着介电表面12的顶部表面延伸的导电迹线30、32。迹线30、32可以被电连接到相应的通孔31、32，通孔31、32延伸穿过介电基板12。导线35、37可以由相应的焊脚39、41被电连接到通孔31、33较下方的端子，并且可用于电连接到电路内(例如在电源与负载之间)的装置10。因此，一次熔断器14，迹线30、32和通孔31、33提供了导线35、37之间的电流路径。

一次熔断器14可以被额定为处理比电流(“电流额定值”)，超过该电流，可熔元件22将熔化并分离。如本领域普通技术人员所熟知的，一次熔断器14的电流额定值可能受各种因素的影响，包括但不限于可熔元件22的尺寸、形状和材料。

可以由介电盖18被耦合到介电基板12的底部表面(如上所述)的PTC装置16可以是层压结构，其总体上包括具有被布置在其顶部表面和底部表面的导电性的顶部和底部电极36、38的PTC元件34。顶部电极36可以由焊脚39被电连接到通孔31和被电连接到导线35。顶部和底部电极36、38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。PTC元件34可以由任何类型的PTC材料(例如，聚合PTC材料、陶瓷PTC材料等)形成，所述PTC材料被配制为具有随着温度升高而增加的电阻值。具体地，PTC元件34可以具有预设定的“跳闸温度”，高于该温度，PTC元件34的电阻值将急速剧烈地增加(例如，以非线性的方式)，以便基本上抑制电流从中流经。在装置10的非限制性示例性实施例中，PTC元件34可以具有在80摄氏度至130摄氏度范围内的跳闸温度。另外，PTC元件34可以具有在其正常工作温度范围内(即，低于其跳闸温度)大于一次熔断器14的电阻值的电阻值。

介电盖18可以包围或覆盖PTC装置16的纵向端(例如，如图1所示的PTC装置16的右端)，使得介电盖18中的一部分被布置在PTC装置16的顶部和底部电极36、38中的一部分上并且将其覆盖。在各种实施例中，如图1所示，装置16的介电盖18具有通过邻接顶部、侧部和底部部分限定的，基本上为“C形的”横截面。本公开不受限于这方面。介电盖18的顶部表面可以诸如由粘合剂(例如环氧树脂)、机械紧固件、超声波焊接等，被固定到介电基板12的底部表面。介电盖18可以由低表面能的、电绝缘的耐热材料形成。这种材料的示例包括但不限于：全氟烷氧基(PFA)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。

二次熔断器20可以由一定量的焊料形成，其被布置在PTC装置16的底部电极38上并且延伸到介电盖18的底部表面上。导电迹线或引线40可以从介电盖18周围的二次熔断器20延伸并且与介电基板12的底部表面上的焊脚41连接。因此，二次熔断器20和引线40可以将PTC装置16的底部电极18布置得与通孔33和导线37电通信，其中介电盖18提供了PTC装置16与引线40、焊脚41、导线37和通孔33中的每个之间的电绝缘隔板。形成二次熔断器20的焊料可以被选定为具有比PTC装置的跳闸温度更高的熔化温度。例如，如果过量电流流经二次熔断器和PTC装置16，则在二次熔断器20被充分受热到熔化之前(如在下面将更详细地描述)，PTC装置34可以升温且达到其跳闸温度，从而抑制电流从中流经。另外，形成二次熔断器20的焊料和形成介电盖18的材料可以被选定，使得当焊料处于熔化或半熔化状态时，焊料可以规避介电盖18的表面，或者具有从其中离开或堆焊在其上的倾向。即，介电盖18的材料可以表现出相对于形成二次熔断器20的焊料的显著的“去湿”特性。在示例中，介电盖18可以由PFA形成，并且焊料可以是SAC 305焊料。在另一示例中，介电盖18可以由ETFE形成，并且焊料可以是共晶焊料。在另一示例中，介电盖可以由PVDF形成，并且焊料可以是低熔点焊料(即，具有低于175摄氏度的熔化温度的焊料)。本公开不受限于这方面。

在正常工作期间，装置10可以由导线35、37被连接在电路中(例如在电源与负载之间)，并且电流可以在导线35、37之间流动穿过包括通孔31、32，迹线30、32和一次熔断器14的路径。在发生过电流状况时，其中流经装置10的电流超过一次熔断器14的电流额定值，则一次熔断器14的可熔元件22可以熔化或以其它方式分离，如图2所示。然后，电流被转向流经唯一可选路径，即穿过引线40、二次熔断器20和PTC装置16。由于电流被允许流经该可选路径，所以电势不能够在熔化的可熔元件22的分离端之间累计，从而排除了一次熔断器14中的电弧的形成和传播。

坚持过电流流经装置10中的可选路径，可能会造成PTC元件迅速升温且超过其跳闸温度，凭借PTC元件34的电阻值可能迅速增加并且基本上抑制电流从中流经。同时(或基本上同时)，由PTC元件34辐射的热量可能造成二次熔断器20熔化且分离，如图3所示。由于介电盖18的低表面能和介电盖18相对于熔化或半熔化的二次熔断器20(如上所述)规避的“去湿”特性，二次熔断器20的分离部分20a、20b可以彼此远离且从介电盖18的表面中离开，并且可以分别在PTC装置16的底部电极38和引线40上积累，从而提供装置10中的电流开口(即，永久的、不可重置的断开)。因此，即使在过电流状况消退，并且PTC元件34冷却至其跳闸温度以下且再次变为导电性之后，二次熔断器20的分离部分20a、20b提供且维持设备10中的电流开口，使得电流不能流经装置10。

鉴于上面的描述，本领域普通技术人员将理解，本公开的装置10提供的优点在于其有效地防止或减轻了电弧，并且还提供了在发生过电流状况时的电流开口。另外，本公开的装置10在过电流状况事件中提供了非常快速的响应(即，二次熔断器20的非常快速的断开)，因为二次熔断器20被直接连接到PTC装置16的底部电极38，并因此响应于PTC元件34的受热而快速熔化。

如本文中所使用的，以单数形式并且以词语“一”或“一个”进行叙述的元件或步骤应当被理解为不排除复数个元件或步骤，除非明确叙述这样的排除。此外，对本公开的“实施例”的参考不旨在解释为排除同样包含所述特征的额外实施例的存在。

虽然本公开参考了特定实施例，但是在不脱离如所附权利要求中所定义的本公开的领域和范围的情况下，对所述实施例的各种修改、替换和改变是可能的。因此，旨在本公开不受限于所述实施例，而是旨在其具有由下面的权利要及其等同物的语言所定义的完整范围。

Claims

1.一种电路保护装置，包括：

一次熔断器；

正温度系数PTC装置和二次熔断器，其彼此串联地电连接且与所述一次熔断器并联地电连接，所述二次熔断器包括被布置在介电盖的表面上的一定量的焊料，其中，所述表面表现出相对于所述焊料的去湿特性，使得当所述焊料被熔化时，所述焊料从所述表面离开以产生电流开口；以及

第一导线和第二导线，其用于电连接电路内的所述电路保护装置，其中所述第一导线被电连接到一次熔断器的第一端子且被电连接到二次熔断器，所述二次熔断器被连接到所述PTC装置的第一电极，并且其中所述第二导线被电连接到所述一次熔断器的第二端子且被电连接到所述PTC装置的第二电极。

2.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述焊料是SAC 305焊料，并且所述介电盖由全氟烷氧基PFA形成。

3.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述焊料是共晶焊料，并且所述介电盖由乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE形成。

4.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述焊料是低熔点焊料，并且所述介电盖由聚偏二氟乙烯PVDF形成。

5.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述一次熔断器被布置在介电基板的第一侧上，并且所述PTC装置由所述介电盖被连接到与第一侧相对的介电基板的第二侧。

6.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中所述第一导线由导电引线被连接到二次熔断器，并且其中所述二次熔断器在所述介电表面上从所述引线延伸到所述PTC装置的第一电极。

7.根据权利要求6所述的电路保护装置，其中，所述介电盖提供所述PTC装置与每个所述第一导线和所述引线之间的电绝缘隔板。

8.根据权利要求5所述的电路保护装置，其中，所述第一和第二导线分别由在所述介电基板中形成的第一和第二导电通孔被连接到所述一次熔断器的第一和第二端子。

9.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述二次熔断器具有比所述PTC装置的PTC元件的跳闸温度更高的熔化温度。

10.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中，所述PTC装置具有在其正常工作温度范围内比所述一次熔断器的电阻值更大的电阻值。

11.一种电路保护装置，包括：

介电基板；

一次熔断器，其被布置在所述介电基板的第一侧上，并且具有电连接到所述介电基板上的相应的第一和第二导电迹线的第一和第二端子；

正温度系数PTC装置和二次熔断器，其彼此串联地电连接且与所述一次熔断器并联地电连接，所述PTC装置由覆盖PTC装置的一端的介电盖被附接到所述介电基板的第二侧，所述二次熔断器包括从所述PTC装置的第一电极延伸到所述介电盖上的一定量的焊料，其中，所述介电盖表现出相对于所述焊料的去湿特性，使得当所述焊料被熔化时，所述焊料从所述介电盖离开以产生电流开口；以及

第一导线和第二导线，其用于电连接电路内的所述电路保护装置，其中，所述第一导线被电连接到所述一次熔断器的第一端子且被电连接到二次熔断器，并且其中，所述第二导线被电连接所述一次熔断器的第二端子且被电连接到所述PTC装置的第二电极；

其中，所述第一和第二导线分别由在所述介电基板中形成的第一和第二导电通孔被连接到所述一次熔断器的第一和第二端子。

12.根据权利要求11所述的电路保护装置，其中，所述第二导线由导电引线被连接到所述二次熔断器。

13.根据权利要求12所述的电路保护装置，其中，所述介电盖提供所述PTC装置与每个所述第二导线和所述引线之间的电绝缘隔板。

14.根据权利要求11所述的电路保护装置，其中，所述焊料是SAC 305焊料，并且所述介电盖由全氟烷氧基PFA形成。

15.根据权利要求11所述的电路保护装置，其中，所述焊料是共晶焊料，并且所述介电盖由乙烯-四氟乙烯共聚物ETFE形成。

16.根据权利要求11所述的电路保护装置，其中，所述焊料是低熔点焊料，并且所述介电盖由聚偏二氟乙烯PVDF形成。

17.根据权利要求11所述的电路保护装置，其中，所述二次熔断器具有比所述PTC装置的PTC元件的跳闸温度更高的熔化温度。

18.根据权利要求11所述的电路保护装置，其中，所述PTC装置具有在其正常工作温度范围内比所述一次熔断器的电阻值更大的电阻值。