小型熔断器过载熔断试验技术研究

水春生

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)

0 引言

高可靠小型熔断器[5]是卫星、宇航设施中重要的保护器件，熔断器通常串联安装在模块或分系统的电路中，在系统长时间正常工作过程中，熔断器应保持稳定工作，不能出现断路；在异常情况出现时，熔断器要及时地熔断，切断电路以保护整体电路的安全。

目前，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，对高可靠小型熔断器的性能考核是各个单位均面临的问题，过电流特性是熔断器的关键性能，而过载熔断试验是考核熔断器过电流特性的关键试验。欧洲空间元器件协调委员会(ESCC)制定的ESCC Generic Specification No.4008 Fuses、美国的 MIL-PRF-23419G“Performance Specification， Fuses， Gartridge， General Specification”和我国的GJB 5850-2006《小型熔断器通用规范》都规定了熔断器的过载熔断试验方法，但是缺少对过载熔断试验设备的要求[2-4]。目前可用于过载熔断试验的试验电源的类型较多，主要包括电子电源、蓄电池组电源和电容器组电源等，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，为了解决熔断器过载熔断试验的试验电源的选用问题，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，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，并提出过载熔断试验的试验电源的选用原则。

1 熔断器熔断机理分析

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

熔断器的熔断与熔丝产生的热量有直接的关系，根据热量计算公式Q=I2Rt，在不考虑电阻温度系数的情况下，熔丝的材料和形状决定了熔断体的电阻值R，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，而熔断器的材料和结构决定了热量耗散的速度。熔断器的热量平衡关系可以由以下公式表示：

式(1)中：m——熔断器的质量；

Cp——比热或热容系数；

T——热力学温度；

t——时间；

I2R——电转化为热能的速率。

当电流流过熔丝时，熔丝就会发热，随着时间的持续，发热量不断地增加。当产生热量的速度小于散热速度时，熔丝是不会熔断的；当产生热量的速度等于散热速率时，在相当长的时间内熔丝也不会熔断；当产生热量的速度大于热量耗散的速度时，热量会不断地累积而导致熔丝温度升高，当温度升高到熔丝金属的熔点以上时熔丝就会发生熔断。

以上过程是熔断器熔断过程的一个简单模型，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，熔断器的散热主要通过3种方式进行，即传导、对流和辐射。这3种传热方式，其传热速率均与熔断器和外界环境的温度差有关。当温度差越大时，传热的速率亦越大。传导传热主要是通过熔断器的本体材料，将热量从熔断器的熔丝部分传到周边，包括通过端头传到线路板及由外表面传到周围的空气中。对流传热是由周围空气的流动产生的，对流传热有两种方式：一种为自然对流，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；另一种为强制对流，即由电子器件内的排风扇强制空气的流动造成的。辐射是由熔断器表面产生的热辐射造成的，其速率取决于熔断器的表面温度与环境温度4次方之差、熔断器表面和散热空间的密度[5]。

在熔断器的过载熔断试验中，熔断器承载电流的时间通常较短，产生的热量并不多，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。过载试验中产生的热量主要通过与熔丝连接的引线，以及熔丝所依附的陶瓷基板等部位进行传导散热。

目前高可靠小型熔断器基本属于 “F”特性产品，即快速熔断型产品，其过载熔断试验电流通常为熔断器额定电流的2～10倍，低倍率熔断时间要求不大于5 s，中倍率熔断时间不大于15 ms，高倍率熔断时间不大于3 ms。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，所以进行高可靠小型熔断器过载熔断试验时，熔丝热量的产生速率会远远地大于散热速率，熔断器的熔丝会迅速地达到熔点使熔断器断开。

在实际的工作电路中，由于开关动作、负载波动等原因，电路中会产生电流脉冲，熔丝会受到电流冲击而损伤。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，就可能出现熔断器 “无故开路”的情况。所以，过载熔断试验电路中应尽量地避免电流脉冲的出现[5-6]。

2 过载熔断试验研究

试验样品采用两款国内某公司生产的表贴式厚膜熔断器，样品规格分别为3216/F-125 V-1.4 A和3216/F-125 V-3.5 A，分别在3种类型的试验电源 (电子电源、蓄电池组电源和电容器组电源)上进行测试，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，开路电压为80 V，最大输出电流为60 A。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，蓄电池组的开路电压为130 V，最大输出电流为120 A；电容器组的开路电压可达350 V，最大输出电流为1 000 A。试验线路示意图如图1所示，试验采用的样品外观如图2所示。

图1 过载熔断线路示意图

图2 3216/F-125 V-1.4 A型样品

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

表1 熔断器过载熔断指标

样品分配方案如表2所示产。

表2 熔断器样品分配方案

3 试验结果分析

3.1 影响因素分析

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

图3 额定电流为1.4 A的熔断器在857%额定电流（12 A）下的过载熔断曲线 （2#）

表3 3216/F-125 V-1.4 A的过载熔断试验结果

表4 3216/F-125 V-3.5 A的过载熔断试验结果

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，电子电源的电流上升时间均为0.2 ms左右，与负载规格关系不大，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。

在蓄电池组电源测试结果中，两个规格的产品的电流上升时间有较大的差异，通过分析线路中电流控制装置的工作原理，发现蓄电池组电源以20 A为分界线，小于20 A的电流上升时间基本为0.3 ms左右，而大于等于20 A的电流上升时间约为30 μs，而1.4 A和3.5 A两个规格的产品的测试电流分别处于分界线的两侧，所以呈现出截然不同的数值。试验电流在20 A以下时，电流上升时间占熔断时间的比例较大，所以对测试结果的影响也较大；试验电流在20 A以上时，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。

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

3.3 试验结论

a)电子电源的电流上升及稳定时间在0.2 ms左右，相对于小型熔断器中倍率熔断时间 (≤10 ms)和高倍率熔断时间 (≤2 ms)比较长，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，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，但可用于低倍率熔断测试 (熔断时间≤5 s)。

b)蓄电池组电源的电流上升时间受负载电路的影响较大，所以，在使用前应了解其负载工作模式，选用合适的电流量程，在确保电流上升时间不大于0.1 ms的情况下，蓄电池电源可用于小型熔断器的高倍率 (≤2 ms)、中倍率 (≤10 ms)和低倍率 (≤5 s)熔断测试。

c)电容器组电源输出电流上升时间相对比较短，电流上升速率受测试回路的参数影响，回路中要尽量地减小电感量，使电流上升时间保持在0.1 ms以下。电容器组电源可用于小型熔断器的高倍率 (≤2 ms)、中倍率 (≤10 ms)和低倍率 (≤5 s)熔断测试。

4 结束语

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，发现了关键影响因素，并相应地提出了过载熔断试验电源的选用原则，为客观评价小型熔断器的性能奠定了基础。