厚膜熔斷器串電阻并聯使用的可靠性研究★

彭昌文，楊成，楊艦，雷巧林，孫鵬遠，周婉恬

（中國振華集團云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018）

0 引言

熔斷器是一種串聯在被保護電路中的過電流保護器件，當被保護電路的電流超過規定值并經過一定時間后，由熔體自身產生的熱量會熔斷熔體使電路斷開，從而起到保護作用[1-5]。熔斷器作為一種可靠性器件，廣泛地應用于國內外各種航天器件中，在安全領域中占有極其重要的地位[6-7]。航天工程任務中對于高可靠厚膜熔斷器的選用極為重視，因為航天任務是一個高科技、高風險的系統工程，尤其是載人航天工程，對安全性、可靠性更是提出了零故障、零失效的要求。如果熔斷器失效就可能導致整個被保護系統失效，從而造成巨大的損失。因此，隨著航天事業的不斷發展，對熔斷器的保護性能提出了更高的要求[8-9]。

目前，我國航天工程領域在使用熔斷器進行過流保護設計時一般采用雙熔斷器并聯使用模式，即將兩個具有相同額定電流的熔斷器并聯，其中一個支路上串聯一個限流電阻。由于熔斷器的保護功能希望熔斷器在電路出現故障過電流時能夠及時、可靠地切斷電流，這就要求熔斷器的動作速度快一點；而其承載功能則希望熔斷器在電路開關瞬間出現非故障脈沖電流時能夠承受，并在整機使用中也能承受，這就要求熔斷器的反應速度適當地慢一點；這兩個要求是有沖突或相互制約的，需要進行綜合平衡，使得所選擇的熔斷器既能保證電子產品在正常使用時能夠順利開關，又能保證有足夠的保護功能，及時有效地保護電器和人身的安全；真正地做到所選用的熔斷器在該斷的時候安全地熔斷、不該斷的時候又不致于誤動作[10]。

熔斷器采用串電阻并聯使用，與僅使用單只熔斷器作為過流保護設計相比，對其保護功能和承載功能究竟有何影響，國內尚未有明確的文獻報道。因此，本文選取目前我國航天工程領域使用得較為廣泛的某國產高可靠MFXX型厚膜熔斷器作為研究對象，研究其在串電阻并聯設計使用與單只單獨使用條件下，對在不同過載電流工況下的熔斷保護特性和脈沖承載特性的影響，以期能為我國航天型號工程正確地設計和使用熔斷器提供指導和借鑒。

1 試驗方案設計

1.1 試驗電路設計準則

熔斷器過流保護設計一般采用雙熔斷器并聯使用，即將兩個具有相同額定電流的熔斷器并聯，其中一個支路上串聯一個限流電阻。限流電阻的直流電阻值R應足夠大，一般為熔斷器典型電阻值的10～20倍，并且在未串聯電阻支路的熔斷器熔斷后，通過該電阻器的電流IL產生的壓降應影響設備 （負載）的正常工作。考慮電阻器的降額使用（降額因子為0.75），所選取的電阻器的額定功率應不小于1.33IL2R。

1.2 試驗電路設計

試驗驗證電路原理圖設計如圖1所示。

其中，F1、F2為兩只額定電流相同的熔斷器，R為限流電阻。在R兩端采用示波器檢測其承載的電流波形，進而可得到F2#熔斷器支路的電流承載情況和熔斷時間。

1.3 試驗樣品的選擇

選擇已進入我國某航天院所合格供方目錄范圍內的國產MFXX型額定電流值為5 A的厚膜表貼式熔斷器 （MFXX-5 A）作為研究對象，該規格熔斷器的典型電阻值為15 mΩ；單只該規格熔斷器在不同過載電流下的典型熔斷保護特性如表1所示。從表1中可知，單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點）位于160%～180%額定電流之間。

表1 MFXX-5 A型熔斷器的典型熔斷特性參數

選取電阻值為150 mΩ，額定功率為5 W的直流電阻作為限流電阻R。考慮到熔斷器的電流降額使用原則，此并聯電路正常工作的最大負載電流不會超過熔斷器的額定電流值5 A。因此，此限流電阻的額定功率大于1.33IL2R（其中，IL最大為5 A，R為150 mΩ），滿足上述試驗電路設計原則。

示波器選用Tektronix DPO 4104B型數字光譜示波器，測試探頭采用Tektronix TPP1000 1 GHz探頭。

1.4 試驗方案設計

給圖1所示的電路兩端分別施加如表1所示的5～50 A的總負載電流，通過示波器分別采集不同電流工況下的R兩端的電流波形圖。根據R兩端的電流波形圖計算出F2支路上F2#熔斷器的電流承載情況，并根據并聯電路分流原理計算出F1支路上F1#熔斷器的電流承載情況及其熔斷保護時間，以及整體電路的熔斷保護時間。通過對整體電路的熔斷保護特性與單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷保護特性進行對比分析，得出熔斷器串電阻并聯設計使用后對不同過載電流工況下的熔斷保護特性和脈沖承載特性的影響。

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

在不同的過載電流工況下，整體并聯電路的熔斷保護特性如表2所示。

表2 整體并聯設計電路的熔斷保護特性

2.2 不同過載電流工況下的試驗結果分析

2.2.1 當并聯電路的電流負載小于等于熔斷器的額定電流時

當電路總負載電流為5 A時，根據示波圖計算得到F2支路上F2#熔斷器承載的電流為0.63 A。根據并聯電路分流原理，F1支路上F1#熔斷器承載的電流應為4.37 A，等于其額定電流值的87.4%。由于F1#熔斷器與F2#熔斷器承載的電流均小于MFXX-5 A熔斷器的額定電流值，因此兩只熔斷器均應不發生熔斷現象。示波器實際測得F1#和F2#熔斷器均能正常工作30 min以上，不熔斷。

由此可得，在并聯電路總負載電流小于等于單只熔斷器的額定電流值時，此并聯電路中每只熔斷器均不會熔斷，并且此并聯設計能為F1支路上的熔斷器起到電流降額使用的作用。

2.2.2 當并聯電路的電流負載大于熔斷器的額定電流時

a）當并聯電路的電流負載介于100%～200%額定電流之間時

當并聯電路總負載電流為10 A（200%額定電流）時，根據示波圖計算得到F2支路上F2#熔斷器承載的電流為1.75 A，等于其額定電流值的35%。根據并聯電路分流原理，計算得到F1支路上F1#熔斷器承載的電流應為8.25 A，等于其額定電流值的165%。根據表1中單只MFXX-5 A熔斷器的典型熔斷特性參數可知，單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點）位于160%～180%額定電流之間，因此在165%額定電流值左右時，單只MFXX-5 A熔斷器應能夠正常工作30 min以上不熔斷；但在200%額定電流值下，單只MFXX-5 A熔斷器約在50 s左右熔斷。實際示波器測得F1#和F2#熔斷器均能正常工作30min以上，不熔斷。

由此可得，在并聯電路總電流負載小于等于200%額定電流時，此并聯電路中每只熔斷器均不會熔斷。但與單只MFXX-5 A熔斷器典型熔斷特性參數相比，該并聯設計電路的整體臨界熔斷電流，即熔斷拐點發生變化。

b）當并聯電路的電流負載為210%～240%額定電流時

當并聯電路的總負載電流為11 A（220%額定電流）時，實際示波器測得F1#和F2#熔斷器均能正常工作30 min以上，不熔斷。

當并聯電路總負載電流為11.5 A（230%額定電流）時，示波器測得的F2支路的電流波形圖如圖2所示。

圖2 總負載電流為11.5 A時F2支路的電流波形圖

為了便于分析計算，將圖2中示波器測得的F2支路的電流波形圖轉化成圖3所示的示意圖。在通電開始階段，F2和F1支路進行分流，F1支路承載較大的電流。在通電過程中受發熱等因素的影響，電路板表面的溫度逐漸地上升，由于厚膜熔斷器熔斷體由正溫度系數阻值特性的貴金屬制作，當溫度升高時其阻值會逐漸地增大，因此F1支路承載的電流會隨時間的增加而逐漸地略微減小，對應F2支路承載的電流略微增大，即圖3中D波形段所示。在一段時間D后，F1#熔斷器由于較長時間承載較大電流而達到熔斷點燒斷，此時F2支路開始承載全部電流，F2支路電流瞬間增高，經歷一段時間后過載熔斷，即圖3中C波形段所示，過載熔斷時間為C。通過以上分析可知，時間D即為F1#熔斷器的熔斷時間，時間C為F2#熔斷器的熔斷時間。

圖3 F2支路的電流波形示意圖

當并聯電路總負載電流為11.5 A（230%額定電流）時，根據電流示波圖計算出F1#熔斷器的實際熔斷時間為463.6 s，F2#熔斷器的實際熔斷時間為2.4 s。由此可得，與單只MFXX-5 A熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點）位于160%～180%額定電流之間相比，該并聯設計電路的整體臨界熔斷電流增大至位于220%～230%額定電流之間。

c）當并聯電路的電流負載為250%、400%、600%額定電流時

當并聯電路總負載電流為12.5 A（250%額定電流）時，根據電流示波圖計算出F1#熔斷器的實際熔斷時間為76.4 s，F2#熔斷器的實際熔斷時間為0.5 s。并聯電路整體熔斷時間為76.8 s，是單只MFXX-5 A熔斷器在250%額定電流下的典型熔斷時間0.3 s的256倍。

當并聯電路總負載電流為20 A（400%額定電流）時，根據電流示波圖計算出F1#熔斷器的實際熔斷時間為23.3 ms，F2#熔斷器的實際熔斷時間為3.3 ms。并聯電路整體熔斷時間為26.6 ms，是單只MFXX-5 A熔斷器在400%額定電流下的典型熔斷時間2.5 ms的10.6倍。

當并聯電路總負載電流為30 A（600%額定電流）時，根據電流示波圖計算出F1#熔斷器的實際熔斷時間為0.91 ms，F2#熔斷器的實際熔斷時間為0.34 ms。并聯電路整體熔斷時間為1.25 ms，是單只MFXX-5 A熔斷器在600%額定電流下的典型熔斷時間0.4 ms的3.1倍。

由此可得，與單只MFXX-5 A熔斷器的典型熔斷特性參數相比，在250%～600%額定電流范圍內，該并聯設計電路的整體熔斷時間較單只熔斷器的典型熔斷時間有較大的延長，即前者約為后者的3～256倍。

需要注意的是，由于并聯設計電路的整體熔斷時間較單只熔斷器的典型熔斷時間均有較大的延長，一方面有利于延長該電路承受非故障浪涌脈沖電流的時間，提高其抗浪涌脈沖電流的能力和承載功能；另一方面，當電路出現較大的故障過載電流時，不利于該電路迅速、及時、可靠地切斷故障電流，即熔斷器的熔斷保護功能會受到影響。

d）當并聯電路的電流負載為1 000%額定電流時

當并聯電路總負載電流為50 A（1 000%額定電流）時，示波器測得的F2支路的電流波形圖如圖4所示。

圖4 總負載電流為50 A時F2支路的電流波形圖

根據電流示波圖計算出F1#熔斷器的實際熔斷時間為0.18 ms，F2#熔斷器的實際熔斷時間為0.12 ms。并聯電路整體熔斷時間為0.3 ms，是單只MFXX-5 A熔斷器在1 000%額定電流下的典型熔斷時間0.12 ms的2.5倍。

由此可以推測，當電路中的故障過載電流越大時，熔斷器采用并聯設計使用的整體熔斷時間將越接近單只熔斷器的典型熔斷時間的2倍。

3 結束語

對國產厚膜熔斷器采用串電阻并聯設計使用與單只熔斷器單獨使用條件下，在不同過載電流工況下的熔斷保護特性和脈沖承載特性進行了對比研究，得出了如下結論。

a）當并聯電路的負載電流小于等于單只熔斷器的額定電流值時，并聯設計使用將可以為支路上的熔斷器起到電流降額作用。

b）與單只熔斷器的熔斷臨界電流 （熔斷拐點）相比，并聯設計使用將使電路的整體臨界熔斷電流增大。

c）并聯設計電路的整體熔斷時間較單只熔斷器的典型熔斷時間有較大的延長，一方面有利于延長電路承受非故障浪涌脈沖電流的時間，提高其抗浪涌脈沖電流的能力和承載功能；另一方面，當電路出現較大的故障過載電流時，不利于該電路迅速、及時、可靠地切斷故障電流，即熔斷器的熔斷保護功能會受到影響。

d）電路中的過載電流越大，并聯設計電路的整體熔斷時間將越接近單只熔斷器的典型熔斷時間的2倍。