PTC升壓非正常試驗等差升壓法與等比升壓法的研究

顧麗蕊 胡潤澤（1、威凱檢測技術有限公司 廣州 510663；2、廣東工業大學 廣州 510663）

1 引言

PTC（Positive Temperature Coefficient）電熱元件廣泛應用于家用電器，如空調器、暖風機、驅蚊器等。長期以來針對PTC電熱元件升壓非正常試驗的升壓方法是按等差數列還是按等比數列增加，有不同的觀點，導致了檢測評價中的一些混亂。

標準具體要求摘錄如下：

在GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的要求第一部分：通用要求》第19.6條規定：

帶PTC電熱元件的器具，以額定電壓供電，直到有關輸入功率和溫度的穩定狀態建立。

然后，將PTC電熱元件上的電壓增加5%，并讓器具工作直到穩定狀態再次建立。電壓以類似的方法增加，直到達到1.5倍的工作電壓，或直到PTC電熱元件破裂，兩者中取先發生的情況。

而對應的IEC 60335-1：2004 ed4.1標準原文為：

19.6 Appliances with PTC heating elements are supplied at rated voltage until steady

conditions with regard to power input and temperature are established.

The working voltage of the PTC heating element is increased by 5 % and the appliance is operated until steady conditions are reestablished.The voltage is then increased in similar steps until 1,5 times working voltage is reached, or until the PTC heating element ruptures, whichever occurs fi rst.

問題的焦點是劃線部分“電壓以類似的方法（increased in similar steps）”是指按等差數列方法每次增加初始電壓的5%,還是按等比數列方法每次增加上一次電壓的5%。

2 PTC電熱元件特性及擊穿

據文獻資料介紹，PTC有三個基本特性：

2.1 電阻－溫度特性

如圖1所示，當溫度超過居里點溫度時，PTC電阻值會上升。居里點：當電阻值是25℃時電阻值的兩倍時的溫度。

PTC正常工作時，隨著外加電場逐步提高，其功率幾乎恒定，樣品內的溫度則隨之升高，到達一定程度時，材料發生相變，進入NTC區，樣品的電阻值開始下降，此時繼續增加電壓，就會發生熱失控，使電流激增。早期PTC制作工藝的限制，使得PTC的晶界勢壘極為狹窄，強電場作用下，電子急劇大量穿透勢壘，可能在瞬間造成局部迅速升溫，材料氣化，在試品上打出小孔。但有時由于勢壘較厚，電壓增加時，勢壘未擊穿，但所形成的局部過熱使得尺寸膨脹，又由于相變時的收縮，使得局部張力互相作用，在薄弱處發生損壞或裂紋。若開裂處是立方晶相區，則裂面平滑；若開裂處是四方相區時，裂紋則相對不平滑。

2.2 電流－電壓特性（靜態特性）

如圖2所示，PTC元件施加一定電壓，自身散熱與產熱平衡后，電壓和電流的關系。隨著電場強度的增大，PTC正溫度系數特性的斜率明顯變小，最大電阻值顯著減小，最大電流值變大。其工作點都是工作在最大值以下，PTC限制大電流，電路在正常狀態時，低電阻，出現故障時或因過載有大電流時，高電阻。

2.3 電流－時間特性（動態特性）

如圖3所示，PTC內部發熱與外部散熱達到動態平衡之前的關系，特點在于擁有大的初始電流和突發性持續衰減部分。

當PTC試片承受功率沖擊時，材料內升溫不均及表面散熱，會產生電阻梯度和溫度梯度，梯度處的溫度差異導致熱膨脹差異，引起熱應力。粗晶粒界，雜質和氣孔處，易形成微裂紋，這是電流沖擊下的熱膨脹應力和相變時收縮引起的張應力的疊加效果。前者瞬態發生，后者是由電流引起的熱應力，略慢。兩種因素互為因果。

表1 PTC電熱元件表面溫度試驗序號方法 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11等差數列 電壓（V） 230 241.5 253 264.5 276 287.5 299 310.5 322 333.5 345溫度（℃） 250.9 250.6 250.4 250.8 251.8 252.1 252.5 253.9 253.6 253.8 254.8電壓（V） 230 241.5 253.6 266.2 279.6 293.5 308.2 323.6 339.8 356.8 --等比數列 溫度（℃） 250.4 251.4 249.9 250.43 251.7 252.4 252.83 254.03 253.8 254.3 --

2.4 PTC電熱元件的擊穿

綜合PTC的特性分析可知，對于用作恒溫發熱體PTC元件來說，冷態時，其電阻值較低，工作后，電流較大，發熱多，逐漸發熱大于散熱，發熱元件本身的溫度升高，導致其電阻值突然升高，電流減小，發熱量降低，直至再次達到發熱與散熱的平衡狀態。若電壓升高，PTC的正溫度系數特性曲線會變緩，最大電阻值減小,最大電流值增大，但電壓增大到一定程度后，隨著電壓的升高，電流降低。

早期PTC生產工藝限制，在其內部會有不規則的晶粒；或為了增強晶粒勢壘，參雜一些添加物，若添加物的細度或分散度不夠，使得內部元素不均勻，在結構上會造成晶粒分布不均。出現這種情況時，這類樣品的耐壓試驗通過率會降低。這是由于，在經受高壓時，個別晶粒的尺寸較大，沿晶軸方向的膨脹和收縮會比一般晶粒更顯著，這會讓異常晶粒與周圍的晶粒間形成極大的內應力，力的大小正相關于晶粒尺寸大小的三次方，即晶粒越大，內應力越大。當內應力大到一定程度時。在晶粒間或缺陷處會產生裂紋。若反復施加電場沖擊，則裂紋會逐漸擴展，最終開裂。

PTC元件電擊穿和熱破壞（電流擊穿）形成開裂的效果見圖4。垂直于表面的不規則開裂；平行于電機面，沿片的中心分層，裂成兩半；熔孔擊穿；邊緣面上的裂紋。

綜上所述，筆者認為IEC標準制訂者考慮到使用PTC電熱元件的家電產品生命周期內由于反復使用積累的熱破壞導致PTC電熱元件破裂，特意制訂一種升壓的等效試驗方法模擬PTC破裂后電器產品的安全。

3 等差升壓法與等比升壓法對比試驗

3.1 試驗方法

取一片狀PTC電熱元件垂直懸空放置于無明顯對流的環境中，用3根J型熱電偶測量1/4、2/4、3/4高度的表面溫度。以額定電壓230V供電，直到PTC電熱元件的功率和3點平均溫度的穩定狀態建立。然后電壓增加5%(即11.5V)，并讓其工作直到穩定狀態再次建立。電壓以等差數列方式增加，直到達到1.5倍額定電壓（即345V），或直到PTC電熱元件破裂，兩者取先發生的情況。

重復上述的試驗，但改用等比數列方式增加電壓。

3.2 試驗結果

兩種試驗方法對比試驗中PTC電熱元件都沒有破裂。測得的表面溫度結果如表1和圖5。

由試驗數據分析，按照等差數列升壓與等比數列升壓兩種試驗方法，PTC達到的溫度基本相同，并不能說明哪種方法得到的溫度更高，哪種試驗方法條件更嚴酷。

4 總結

筆者認為等差數列升壓方法比等比數列升壓方法更具貼近標準字面上含義，更有可操作性，理由有：

(1)按等差數列升壓第11次試驗電壓恰好為額定工作電壓的1.5倍，而按等比數列方法計算最后沒有恰好得到1.5倍額定工作電壓。

(2)按等差數列升壓，每次升高電壓的絕對值是一致的，只要計算一次，而按等比數列升壓，每一次升高電壓的絕對值都不一樣，需要計算9次，較為繁瑣。

(3)在英文原文increased in similar steps中的step義項有“rank, grade or stage in a series or on a scale; stage of promotion級別；等級；階段；晉升的一級”，可翻譯為以類似的“步長（增量）”增加。而GB國家標準譯為“以類似的方法增加”會導致等差增加還是等比增加的歧義。

[1]祝炳和、朱盈權，PTC元件生產中廢品形成的原因探討 [J]，電子元件與材料， 2008年1月 第27卷 第1期

[2]江明倫,PTC 元件耐壓試驗擊穿保護裝置[J],電子技術,1991年第4期

[3]孫振鶴、姜文中、張虛白，提高PTC材料擊穿電壓諸因素探索[J]，電子元件，1991年第3期

[4]祝炳和、姚堯、趙梅瑜、王依琳、吳文俊，PTC陶瓷制造工藝與性質[M]，上海大學出版社，2001年5月第一版，P134～P136。