PTC升压非正常试验等差升压法与等比升压法的研究

顾丽蕊 胡润泽（1、威凯检测技术有限公司 广州 510663；2、广东工业大学 广州 510663）

1 引言

PTC（Positive Temperature Coefficient）电热元件广泛应用于家用电器，如空调器、暖风机、驱蚊器等。长期以来针对PTC电热元件升压非正常试验的升压方法是按等差数列还是按等比数列增加，有不同的观点，导致了检测评价中的一些混乱。

标准具体要求摘录如下：

在GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的要求第一部分：通用要求》第19.6条规定：

带PTC电热元件的器具，以额定电压供电，直到有关输入功率和温度的稳定状态建立。

然后，将PTC电热元件上的电压增加5%，并让器具工作直到稳定状态再次建立。电压以类似的方法增加，直到达到1.5倍的工作电压，或直到PTC电热元件破裂，两者中取先发生的情况。

而对应的IEC 60335-1：2004 ed4.1标准原文为：

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.

问题的焦点是划线部分“电压以类似的方法（increased in similar steps）”是指按等差数列方法每次增加初始电压的5%,还是按等比数列方法每次增加上一次电压的5%。

2 PTC电热元件特性及击穿

据文献资料介绍，PTC有三个基本特性：

2.1 电阻－温度特性

如图1所示，当温度超过居里点温度时，PTC电阻值会上升。居里点：当电阻值是25℃时电阻值的两倍时的温度。

PTC正常工作时，随着外加电场逐步提高，其功率几乎恒定，样品内的温度则随之升高，到达一定程度时，材料发生相变，进入NTC区，样品的电阻值开始下降，此时继续增加电压，就会发生热失控，使电流激增。早期PTC制作工艺的限制，使得PTC的晶界势垒极为狭窄，强电场作用下，电子急剧大量穿透势垒，可能在瞬间造成局部迅速升温，材料气化，在试品上打出小孔。但有时由于势垒较厚，电压增加时，势垒未击穿，但所形成的局部过热使得尺寸膨胀，又由于相变时的收缩，使得局部张力互相作用，在薄弱处发生损坏或裂纹。若开裂处是立方晶相区，则裂面平滑；若开裂处是四方相区时，裂纹则相对不平滑。

2.2 电流－电压特性（静态特性）

如图2所示，PTC元件施加一定电压，自身散热与产热平衡后，电压和电流的关系。随着电场强度的增大，PTC正温度系数特性的斜率明显变小，最大电阻值显著减小，最大电流值变大。其工作点都是工作在最大值以下，PTC限制大电流，电路在正常状态时，低电阻，出现故障时或因过载有大电流时，高电阻。

2.3 电流－时间特性（动态特性）

如图3所示，PTC内部发热与外部散热达到动态平衡之前的关系，特点在于拥有大的初始电流和突发性持续衰减部分。

当PTC试片承受功率冲击时，材料内升温不均及表面散热，会产生电阻梯度和温度梯度，梯度处的温度差异导致热膨胀差异，引起热应力。粗晶粒界，杂质和气孔处，易形成微裂纹，这是电流冲击下的热膨胀应力和相变时收缩引起的张应力的叠加效果。前者瞬态发生，后者是由电流引起的热应力，略慢。两种因素互为因果。

表1 PTC电热元件表面温度试验序号方法 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11等差数列 电压（V） 230 241.5 253 264.5 276 287.5 299 310.5 322 333.5 345温度（℃） 250.9 250.6 250.4 250.8 251.8 252.1 252.5 253.9 253.6 253.8 254.8电压（V） 230 241.5 253.6 266.2 279.6 293.5 308.2 323.6 339.8 356.8 --等比数列 温度（℃） 250.4 251.4 249.9 250.43 251.7 252.4 252.83 254.03 253.8 254.3 --

2.4 PTC电热元件的击穿

综合PTC的特性分析可知，对于用作恒温发热体PTC元件来说，冷态时，其电阻值较低，工作后，电流较大，发热多，逐渐发热大于散热，发热元件本身的温度升高，导致其电阻值突然升高，电流减小，发热量降低，直至再次达到发热与散热的平衡状态。若电压升高，PTC的正温度系数特性曲线会变缓，最大电阻值减小,最大电流值增大，但电压增大到一定程度后，随着电压的升高，电流降低。

早期PTC生产工艺限制，在其内部会有不规则的晶粒；或为了增强晶粒势垒，参杂一些添加物，若添加物的细度或分散度不够，使得内部元素不均匀，在结构上会造成晶粒分布不均。出现这种情况时，这类样品的耐压试验通过率会降低。这是由于，在经受高压时，个别晶粒的尺寸较大，沿晶轴方向的膨胀和收缩会比一般晶粒更显著，这会让异常晶粒与周围的晶粒间形成极大的内应力，力的大小正相关于晶粒尺寸大小的三次方，即晶粒越大，内应力越大。当内应力大到一定程度时。在晶粒间或缺陷处会产生裂纹。若反复施加电场冲击，则裂纹会逐渐扩展，最终开裂。

PTC元件电击穿和热破坏（电流击穿）形成开裂的效果见图4。垂直于表面的不规则开裂；平行于电机面，沿片的中心分层，裂成两半；熔孔击穿；边缘面上的裂纹。

综上所述，笔者认为IEC标准制订者考虑到使用PTC电热元件的家电产品生命周期内由于反复使用积累的热破坏导致PTC电热元件破裂，特意制订一种升压的等效试验方法模拟PTC破裂后电器产品的安全。

3 等差升压法与等比升压法对比试验

3.1 试验方法

取一片状PTC电热元件垂直悬空放置于无明显对流的环境中，用3根J型热电偶测量1/4、2/4、3/4高度的表面温度。以额定电压230V供电，直到PTC电热元件的功率和3点平均温度的稳定状态建立。然后电压增加5%(即11.5V)，并让其工作直到稳定状态再次建立。电压以等差数列方式增加，直到达到1.5倍额定电压（即345V），或直到PTC电热元件破裂，两者取先发生的情况。

重复上述的试验，但改用等比数列方式增加电压。

3.2 试验结果

两种试验方法对比试验中PTC电热元件都没有破裂。测得的表面温度结果如表1和图5。

由试验数据分析，按照等差数列升压与等比数列升压两种试验方法，PTC达到的温度基本相同，并不能说明哪种方法得到的温度更高，哪种试验方法条件更严酷。

4 总结

笔者认为等差数列升压方法比等比数列升压方法更具贴近标准字面上含义，更有可操作性，理由有：

(1)按等差数列升压第11次试验电压恰好为额定工作电压的1.5倍，而按等比数列方法计算最后没有恰好得到1.5倍额定工作电压。

(2)按等差数列升压，每次升高电压的绝对值是一致的，只要计算一次，而按等比数列升压，每一次升高电压的绝对值都不一样，需要计算9次，较为繁琐。

(3)在英文原文increased in similar steps中的step义项有“rank, grade or stage in a series or on a scale; stage of promotion级别；等级；阶段；晋升的一级”，可翻译为以类似的“步长（增量）”增加。而GB国家标准译为“以类似的方法增加”会导致等差增加还是等比增加的歧义。

[1]祝炳和、朱盈权，PTC元件生产中废品形成的原因探讨 [J]，电子元件与材料， 2008年1月 第27卷 第1期

[2]江明伦,PTC 元件耐压试验击穿保护装置[J],电子技术,1991年第4期

[3]孙振鹤、姜文中、张虚白，提高PTC材料击穿电压诸因素探索[J]，电子元件，1991年第3期

[4]祝炳和、姚尧、赵梅瑜、王依琳、吴文俊，PTC陶瓷制造工艺与性质[M]，上海大学出版社，2001年5月第一版，P134～P136。