小型熔断器过载熔断试验技术研究

小型熔断器过载熔断试验技术研究

水春生

渊工业和信息化部电子第五研究所袁广东广州

510610冤

摘要院小型熔断器是军用电子设备中重要的保护器件袁过载熔断试验能够用于考核小型熔断器的关键参数袁

3种类型的试验电源渊电子电源尧蓄电池组电源和电容器组电源冤进行了过载熔断试验袁通过对比试验结果袁发现了影响过载熔断试验结果的显著因素袁并提出了过载熔断试验的电源选用原则遥

包括熔断时间尧最大分断电流和绝缘电阻等遥不同类型的试验电源可能对试验结果有不同的影响袁因此袁采用

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2018.04.008

关键词院小型熔断器曰过载熔断曰试验电源曰选用原则中图分类号院TM563文献标志码院A文章编号院1672-5468渊2018冤04-00036-04

ResearchonOverloadFuseTestTechnologyof

MiniatureFuse

渊CEPREI袁Guangzhou510610袁China冤

SHUIChunsheng

Overloadfusetestcanbeusedtoevaluatethekeyparametersofminiaturefuse袁includingfusingtime袁maximumbreakingcurrentandinsulationresistance.Differenttypesoftestpowersupplymayhavedifferenteffectsonthetestresults.Therefore袁threetypesoftestpowersupply袁namelyelectronicpowersupply袁batterypowersupplyandcapacitorbankpowersupply袁areusedtocarryouttheoverloadfusetest.Bycomparingthetestresults袁thesignificantfactorsinfluencingtheresultsofoverloadfusetestareobtained袁andtheselectionprincipleofpowersupplyforoverloadfusetestisputforward.

Abstract院Miniaturefuseisanimportantprotectivedeviceinmilitaryelectronicequipment.

Keywords院miniaturefuse曰overloadfuse曰testpowersupply曰selectionprinciple

0引言

高可靠小型熔断器

[5]是卫星尧宇航设施中重

要的保护器件袁熔断器通常串联安装在模块或分系统的电路中袁在系统长时间正常工作过程中袁熔断

器应保持稳定工作袁不能出现断路曰在异常情况出现时袁熔断器要及时地熔断袁切断电路以保护整体电路的安全遥

目前袁国内有多家单位在进行高可靠小型熔断器产品的研制和生产袁对高可靠小型熔断器的性能

收稿日期院2017-11-22

作者简介院水春生渊1989-冤袁男袁河南洛阳人袁工业和信息化部电子第五研究所元器件检测中心助理工程师袁主要从事通

用元件检测工作遥

36阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

第4期水春生院小型熔断器过载熔断试验技术研究

Specification袁Fuses袁Gartridge袁GeneralSpecifica鄄tion冶和我国的GJB5850-2006叶小型熔断器通用规范曳都规定了熔断器的过载熔断试验方法袁但是缺少对过载熔断试验设备的要求[2-4]遥目前可用于过载熔断试验的试验电源的类型较多袁主要包括电子电源尧蓄电池组电源和电容器组电源等袁同一款产品采用不同类型的试验电源可能得到不同的结果袁为了解决熔断器过载熔断试验的试验电源的选用问题袁本研究选用以上3种类型的试验电源进行了过载熔断试验袁根据3种电源的试验结果得出了影响过载熔断试验结果的因素袁并提出过载熔断试验的试验电源的选用原则遥

考核是各个单位均面临的问题袁过电流特性是熔断器的关键性能袁而过载熔断试验是考核熔断器过电流特性的关键试验遥欧洲空间元器件协调委员会渊ESCC冤制定的ESCCGenericSpecificationNo.4008Fuses尧美国的MIL-PRF-23419G野Performance

热量会不断地累积而导致熔丝温度升高袁当温度升高到熔丝金属的熔点以上时熔丝就会发生熔断遥

以上过程是熔断器熔断过程的一个简单模型袁熔断器散热速率与熔断器材料特性及其所处的环境有直接的关系袁熔断器的散热主要通过3种方式进行袁即传导尧对流和辐射遥这3种传热方式袁其传热速率均与熔断器和外界环境的温度差有关遥当温度差越大时袁传热的速率亦越大遥传导传热主要是通过熔断器的本体材料袁将热量从熔断器的熔丝部分传到周边袁包括通过端头传到线路板及由外表面传到周围的空气中遥对流传热是由周围空气的流动产生的袁对流传热有两种方式院一种为自然对流袁即由于熔断器表面的空气被熔断器加热而产生密度的变化所造成的曰另一种为强制对流袁即由电子器件内的排风扇强制空气的流动造成的遥辐射是由熔断器表面产生的热辐射造成的袁其速率取决于熔断器的表面温度与环境温度4次方之差尧熔断器表面和散热空间的密度[5]遥

在熔断器的过载熔断试验中袁熔断器承载电流的时间通常较短袁产生的热量并不多袁不足以造成器件整体温度上升从而引起对流散热或辐射散热遥过载试验中产生的热量主要通过与熔丝连接的引线袁以及熔丝所依附的陶瓷基板等部位进行传导散热遥

目前高可靠小型熔断器基本属于野F冶特性产品袁即快速熔断型产品袁其过载熔断试验电流通常为熔断器额定电流的2耀10倍袁低倍率熔断时间要求不大于5s袁中倍率熔断时间不大于15ms袁高倍率熔断时间不大于3ms遥而熔断器样品的实测熔断时间通常会比合格判据低一个数量级袁所以进行高可靠小型熔断器过载熔断试验时袁熔丝热量的产生速率会远远地大于散热速率袁熔断器的熔丝会迅速地达到熔点使熔断器断开遥

在实际的工作电路中袁由于开关动作尧负载波动等原因袁电路中会产生电流脉冲袁熔丝会受到电流冲击而损伤遥当熔断器熔断所需的能量低于电路中最大脉冲的浪涌能量时袁就可能出现熔断器野无故开路冶的情况遥所以袁过载熔断试验电路中应尽量地避免电流脉冲的出现[5-6]遥

熔断器主要是由熔断体和外壳组成袁其中熔断体的熔丝质量是影响其可靠性的关键因素袁其与熔断器过载过程中产生的热量尧散热能力等都有着密切的关系遥

熔断器的熔断与熔丝产生的热量有直接的关系袁根据热量计算公式Q=I2Rt袁在不考虑电阻温度系数的情况下袁熔丝的材料和形状决定了熔断体的电阻值R袁通过熔丝的电流I与熔断体电阻R决定了熔断器产生热量的速度袁而熔断器的材料和结构决定了热量耗散的速度遥熔断器的热量平衡关系可以由以下公式表示院

mCpT=I2R-散热速率渊1冤

t式渊1冤中院m要要要熔断器的质量曰

Cp要要要比热或热容系数曰T要要要热力学温度曰t要要要时间曰T要要要升温速率曰tI2R要要要电转化为热能的速率遥

当电流流过熔丝时袁熔丝就会发热袁随着时间的持续袁发热量不断地增加遥当产生热量的速度小于散热速度时袁熔丝是不会熔断的曰当产生热量的速度等于散热速率时袁在相当长的时间内熔丝也不会熔断曰当产生热量的速度大于热量耗散的速度时袁

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

1熔断器熔断机理分析

试验样品采用两款国内某公司生产的表贴式厚膜熔断器袁样品规格分别为3216/F-125V-1.4A和3216/F-125V-3.5A袁分别在3种类型的试验电

372过载熔断试验研究

电子产品可靠性与环境试验2018年

源渊电子电源尧蓄电池组电源和电容器组电源冤上进行测试袁电子电源采用Chroma的62012P-80-60型可编程直流电源和ITECH的IT8818B型电子负载组合袁开路电压为80V袁最大输出电流为60A遥蓄电池组电源和电容器组电源均采用熔断器生产厂家的自研设备袁蓄电池组的开路电压为130V袁最大输出电流为120A曰电容器组的开路电压可达350V袁最大输出电流为1000A遥试验线路示意图如图1所示袁试验采用的样品外观如图2所示遥

样品分配方案如表2所示产遥

表2熔断器样品分配方案

样品型号3216/F-125V-1.4A

电子电源1#渊8A冤2#渊12A冤

蓄电池组电源3#渊8A冤4#渊12A冤

电容器组电源5#渊8A冤6#渊12A冤

3216/F-125V-101#渊20A冤103#渊20A冤105#渊20A冤

3.5A102#渊30A冤104#渊30A冤106#渊30A冤阻性负载

标准电阻

样品

示波器

3

3.1影响因素分析

试验结果分析

图1过载熔断线路示意图

将每只样品分别接入试验电路中并施加相应的电流袁采用示波器采集电流波形袁根据电流曲线分析能够影响熔断器过载熔断结果的因素遥如图3所示袁额定电流为1.4A的熔断器进行857%额定电流渊12A冤过载熔断时袁总熔断时间为432.0滋s袁而电流从0上升到12A所用的时间为186滋s袁电流上升时间占熔断时间的比例为43.06%袁电流上升时间过长明显地影响了熔断器的测试结果袁使试验不能考核出熔断器的真实性能遥图3的结果是采用电子电源测试系统得到的结果袁在其他两个测试系统中测试时存在不同程度的类似情况遥所有测试的结果汇总如表3-4所示遥

0.000s432.0滋s驻432.0滋s1.21V0.00V驻1.21V

图23216/F-125V-1.4A型样品

额定电流为1.4A的熔断器在试验电流为5尧8尧12A和额定电流为3.5A的熔断器在试验电流为12.5尧20尧30A的条件下的过载熔断特性如表1所示遥

表1熔断器过载熔断指标

过载熔断时间渊t/ms冤额定电流

渊I/A冤357%额定电流571%额定电流857%额定电流1.43.52~5000

0.5~10

0.05~2

200mV

100滋s

204.000滋s

1.00M次/S1000点

452mV

图3额定电流为1.4A的熔断器在857%额定电流

渊12A冤下的过载熔断曲线渊2#冤

38阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

第4期水春生院小型熔断器过载熔断试验技术研究

表33216/F-125V-1.4A的过载熔断试验结果试验电源样品编号

1#渊8A冤熔断时间电流上升时电流上升时

间渊t/ms冤间占比/%渊t/ms冤0.4322.2840.5481.3120.4032.3600.1960.1860.2860.2530.0230.02343.0612.5246.171.755.718.313.3试验结论

电子电源

a冤电子电源的电流上升及稳定时间在0.2ms

左右袁相对于小型熔断器中倍率熔断时间渊臆10ms冤和高倍率熔断时间渊臆2ms冤比较长袁采用电子电源进行小型熔断器的中倍率熔断和高倍率熔断会使测试结果受到明显的影响袁所以电子电源不适用于小型熔断器的中倍率熔断和高倍率熔断测试袁但可用于低倍率熔断测试渊熔断时间臆5s冤遥

b冤蓄电池组电源的电流上升时间受负载电路的影响较大袁所以袁在使用前应了解其负载工作模式袁选用合适的电流量程袁在确保电流上升时间不大于0.1ms的情况下袁蓄电池电源可用于小型熔断器的高倍率渊臆2ms冤尧中倍率渊臆10ms冤和低倍率渊臆5s冤熔断测试遥

c冤电容器组电源输出电流上升时间相对比较短袁电流上升速率受测试回路的参数影响袁回路中要尽量地减小电感量袁使电流上升时间保持在0.1ms以下遥电容器组电源可用于小型熔断器的高倍率渊臆2ms冤尧中倍率渊臆10ms冤和低倍率渊臆5s冤熔断测试遥

2#渊12A冤4渊12A冤

#

蓄电池组

3#渊8A冤5#渊8A冤

电容器组

6#渊12A冤表43216/F-125V-3.5A的过载熔断试验结果试验电源电子电源蓄电池组电容器组

样品编号101#渊20A冤熔断时间电流上升时电流上升时

间渊t/ms冤间占比/%渊t/ms冤0.3220.8040.1940.2820.7101.0240.2180.0300.0250.0520.0520.20820.3167.7012.8918.447.323.73

102#渊30A冤103#渊20A冤104#渊30A冤105#渊20A冤106#渊30A冤4

3.2试验结果汇总

由以上两个规格的熔断器产品的过载熔断试

验结果可以看出袁电子电源的电流上升时间均为0.2ms左右袁与负载规格关系不大袁进行571%额定电流和857%额定电流熔断测试时电流上升时间占熔断时间的比例较大遥

在蓄电池组电源测试结果中袁两个规格的产品的电流上升时间有较大的差异袁通过分析线路中电流控制装置的工作原理袁发现蓄电池组电源以20A为分界线袁小于20A的电流上升时间基本为0.3ms左右袁而大于等于20A的电流上升时间约为30滋s袁而1.4A和3.5A两个规格的产品的测试电流分别处于分界线的两侧袁所以呈现出截然不同的数值遥试验电流在20A以下时袁电流上升时间占熔断时间的比例较大袁所以对测试结果的影响也较大曰试验电流在20A以上时袁蓄电池组电源的电流上升时间对测试结果的影响明显地降低遥

电容器组电源进行过载熔断时袁电流上升时间相对比较短袁其电流上升特性是3种电源中最优的袁但目前该类型电源的使用并不普遍遥

阅陨粤晕在陨悦匀粤晕孕陨晕运耘运粤韵X陨晕郧再哉匀哉粤晕允I晕郧杂匀陨再粤晕

本文讨论了小型熔断器过载熔断试验电源对过载熔断试验结果的影响袁发现了关键影响因素袁并相应地提出了过载熔断试验电源的选用原则袁为客观评价小型熔断器的性能奠定了基础遥参考文献院

结束语

[1]孙鹏远袁李程峰袁彭昌文袁等.小型高可靠熔断器抑弧

性能研究[J].电子产品可靠性与环境试验袁2018袁36渊2冤院1-5.

[2]中国人民解放军总装备部.小型熔断器通用规范院GJB[3]EuropeanSpaceComponentsCoordination.ESCCGeneric

SpecificationNO.4008Fuses袁Issue2[S].Europe院ES鄄CC袁2010.

[4]USDOD.Fuse袁cartridge袁instrumenttype袁generalspeci鄄[5]张洪伟袁赵婧袁曹珊珊袁等.高可靠熔断器不仅电应力

极限评估试验[J].电子元件与材料袁2013袁32渊5冤院56-59.

[6]董宇亮袁彭云霄袁匡婷袁等.高可靠熔断器温度应力极

2014袁29渊5冤院449-453.限评估试验方法[J].成都信息工程学院学报袁fication院MIL-PRF-23419H[S].

5850-2006[S].北京院中国标准出版社袁2006.

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