CN104681224A

CN104681224A - 大电流过流过温保护元件

Info

Publication number: CN104681224A
Application number: CN201510057926.9A
Authority: CN
Inventors: 杨铨铨; 方勇; 高道华
Original assignee: Shanghai Changyuan Wayon Circuit Protection Co Ltd
Current assignee: Shanghai Changyuan Wayon Circuit Protection Co Ltd
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明公开了一种具有电阻正温度效应的大电流过流过温保护元件，它兼顾高保持电流和低动作温度。本发明元件包含由两个金属箔片以及紧密夹固在两个金属箔片中间的具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层组成的芯片，其中至少两层具有不同动作温度的所述芯片，它们的动作温度相差不小于5℃；两层具有不同动作温度的芯片电气并联连接。由于高动作温度芯片由两层金属箔片以及夹在中间的高动作温度PTC材料层组成，低动作温度芯片由两层金属箔片以及夹在中间的低动作温度PTC材料层组成。当低动作温度芯片达到设定温度时触发，使电流全部加在高动作温度芯片上，导致整个电路保护元件动作。与常规电路保护元件相比，该保护元件同时具有低温保护和较大工作电流的特点。

Description

大电流过流过温保护元件

技术领域

本发明涉及一种电路保护元件，尤其是涉及一种具有电阻正温度效应的大电流过流过温保护元件，它兼顾高保持电流和低动作温度。

背景技术

基于导电复合材料的正温度系数过流防护元件（PTC）已广泛地应用到通信、计算机、汽车、工业控制、家用电器等众多领域中，应用于电路的过流保护设置。在通常状态下，电路中的电流相对较小，热敏电阻器温度较低，而当由电路故障引起的大电流通过此过流过温保护元件时，其温度会突然升高到“关断”温度（动作温度），导致其电阻值变得很大，这样就使电路处于一种近似“开路”的状态，从而保护了电路中其他元件。而当故障排除后，热敏电阻器的温度下降，其电阻值又可恢复到低阻值状态。

电子产品正在朝多功能、小型化、集成化的方向发展。其功率越来越大，那么电池产品的保护元件的保持电流越来越大，但是现在市面上的聚合物PTC保持电流提高有限。因为对于聚合物PTC保护元件而言，要提高大幅保持电流，就必须使用高熔点的聚合物，也就是高动作温度的聚合物PTC，但是高动作温度无法有效保护电池。例如若使用低熔点聚合物（低密度聚乙烯LDPE），聚合物PTC的动作温度可以在80℃以下，但是无法满足60℃下高保持电流。从聚合物PTC保护元件的原理上来说，没有办法平衡高保持电流和低动作温度之间的矛盾。开发具有高保持电流（大电流）低动作温度的产品成为各大公司的焦点（例如聚鼎、泰科），他们的专利也都提到了上述问题，见专利 CN102832604A和专利CN101449342A。

另外，高低温交变测试（-40℃*1h/85℃*1h）也是聚合物PTC保护元件的一项重要的长期可靠性的评价项目，产品的升阻越小越好。对于高动作温度聚合物PTC保护元件产品而言，交变100次升阻小于100%，而低动作温度的产品升阻可以达到500%以上。如果并联初始阻值相同的高低聚合物PTC芯片，那么交变后升阻小于200%，远低于低动作温度产品的升阻。

申请号200910177356.1揭示一种过温及过电流双保护元件及其制法，藉由在单一的保护元件中,并联设置一个保险丝与一个正温度系数热敏电阻,使得当电流过大时,保险丝将先熔断而使全部电流流经该热敏电阻,迫使其电流增大而升温,终至完全截断流经该元件的电流。相对在环境温度过高时,则由热敏电阻先受热提高阻值,迫使电流全部经由保险丝而致超过其额定范围,使保险丝熔断后,电流再度流回热敏电阻而导致全面断路效果。如此,可以藉由单一的被动元件,以低廉单价完成双重保护的效果,同时减少空间耗费,增加市场竞争力与接受度。

发明内容

本发明的目的是提供一种大电流过流过温保护元件，同时具有高保持电流和低动作温度特性。

本发明目的通过下述方案实现：一种大电流过流过温保护元件，用于电路保护，包含由两个金属箔片以及紧密夹固在两个金属箔片中间的具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层组成的芯片，其中：

（a）至少两层具有不同动作温度的所述芯片，它们的动作温度相差不小于5℃；

（b）两层具有不同动作温度的芯片电气并联连接。

本发明形成至少一层低动作温度保护芯片、一层高动作温度保护芯片。

在上述方案基础上，所述芯片电气并联连接为纵向叠加，或横向叠加，或纵向和横向叠加的组合中的一种。

所述具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层由聚合物和导电填料组成，其中，所述聚合物选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

所述聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间，优选为25%-70%之间，更优为30%-65%之间。

所述导电填料选自碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。

所述金属粉末可选自：铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物。

所述的导电陶瓷粉末可选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

所述电填料的粒径优选为0.05μm～50μm，更优为0.1μm～20μm；体积电阻率不大于0.03Ω.m，优选为不大于0.02Ω.m，更优为不大于0.01Ω.m。所述导电填料占所述导电复合材料基层体积分数的25%～80%，优选为30%-75%之间，更优为35%-70%之间，分散于所述聚合物中。

所述具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层可含有其他组分，如抗氧剂、辐射交联剂（常称为辐照促进剂、交联剂或交联促进剂，例如三烯丙基异氰脲酸酯）、偶联剂、分散剂、稳定剂、非导电性填料（如氢氧化镁，碳酸钙）、阻燃剂、弧光抑制剂或其他组分。这些组分通常不大于高分子基导电复合材料总体积的15%，例如5%体积百分比。

本发明原理是：在故障时，当电池的温度升高，上升到低动作温度保护芯片的动作温度时，我们称此时的温度为过流过温保护元件的动作温度，低动作温度保护芯片动作，阻值突然上升到原来的10倍以上，此时所有的电流被完全加到高动作温度保护芯片上，引发高动作温度保护芯片动作，从而切断电流，保护电池。在故障消除以后，电池的温度下降，高、低温动作保护芯片的温度也下降，电阻随温度下降，下降到过流过温保护元件的动作温度以下时，阻值恢复到电路导通状态，从而实现过流过温保护元件的多次保护功能。

本发明的优越性在于：由于高动作温度芯片由两层金属箔片以及夹在中间的高动作温度PTC材料层组成，低动作温度芯片由两层金属箔片以及夹在中间的低动作温度PTC材料层组成。当低动作温度芯片达到设定温度时触发，使电流全部加在高动作温度芯片上，导致整个电路保护元件动作。与常规电路保护元件相比，该保护元件同时具有低温保护和较大工作电流的特点。即：过流过温保护元件在正常工作状态下（低于动作温度），发挥高动作温度保护芯片保持电流大的特点，异常状态下（高于动作温度），发挥低动作温度保护芯片温度敏感的特点，从而兼顾高保持电流和低动作温度的综合特点。

以下结合实施例说明本发明，应该强调的是：本发明的大电流过流过温保护元件，不仅涉及实施例的组合结构，还包括轴型，插件型或表面贴装型。

附图说明

图1 保护芯片结构图；

图2 本发明高低温动作保护元件结构示意图；

图中标号说明：

1——导电复合层；

2、3——上、下金属箔片；

4——保护芯片一；

41——PTC基层；

42、43——上、下金属箔片；

5——保护芯片二；

51——PTC基层；

52、53——上、下金属箔片；

6、7——左、右引脚。

具体实施方式

实施例

图1保护芯片结构图和图2本发明高低温动作保护元件结构示意图所示，一种大电流过流过温保护元件，用于电路保护，由上下金属箔片2、3以及紧密夹固在上、下金属箔片2、3中间的具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层1组成的芯片基材，如图2所示：

（a）有上下叠加的两层具有不同动作温度的保护芯片一、二4、5，它们的动作温度相差不小于5℃；

（b）两层具有不同动作温度的保护芯片一、二4、5电气并联连接，由保护芯片一的上金属箔片42和保护芯片二的下金属箔片53电气连接左引脚6；由保护芯片一的下金属箔片43和保护芯片二的上金属箔片52电气连接右引脚7。

针对上述结构，具体实施方式如下：

将聚合物、导电填料、加工助剂按合适的高温和低温配方配料分别加工。每层PTC基层的加工方式依下述步骤进行：

将密炼机温度设定为180度，转速为30转/分钟，先加入聚合物密炼3分钟后，然后加入导电填料和加工助剂，加料在3分钟内完成，继续密炼15分钟后出料，分别制得高温和低温导电复合材料。

将上述熔融混合好的导电复合材料通过开炼机压延，得到厚度为0.20～0.25毫米的导电复合材料基层。

按图1所示，将高温和低温导电复合材料基层1分别置于上下金属箔片2、3之间，作为上电极和下电极，通过热压合的方法将它们紧密结合在一起。热压合的温度为180摄氏度，压力为12兆帕，时间为10分钟，最后在冷压机上冷压10分钟，得到图1所示的高温和低温导电复合层。

经冲片工序，将导电复合层冲成3.75mm*4.2mm的PTC过流过温保护芯片，再经过回流焊工艺将保护芯片一、二焊接成有高低温导电复合层并联结构的过流过温保护元件,如图2所示的结构。

比较例1

为低动作温度芯片和低动作温度芯片并联结构保护元件，制作方法与实施例相同，PTC基层配方与实施例中低动作温度保护芯片的PTC基层相同。

比较例2

为高动作温度芯片和高动作温度芯片并联结构保护元件，制作方法与实施例相同，PTC基层配方与实施例中高动作温度保护芯片的PTC基层相同。

试验组为本实施例具有一低动作温度保护芯片和一高动作温度保护芯片并联结构。

测试阶段的测试项目包括：

⑴初始阻值R₀；

⑵在电流1A、2A、4A下，电阻升到R0的1000倍时的温度 T₁、T₂、T₃；

⑶经历冷热交变100个循环（一个循环为低温-40℃/1h，高温85℃/1h）后的阻值R₁₀₀

⑷不同温度和不同电流下保持1h动作与否

⑸不同温度和不同电流下的动作时间

注：以上数据为十个样品的平均值。

注：以上数据，测试样品数为10个，有一个动作即NG。

测试结果见表一和表二，从测试结果可以得出，实施例的各种电流下的动作温度都介于比较例一和比较例二之间，但是在不同的电流下，实施例动作温度距离比较例一和比较例二的程度不一样，随着电流的增加，实验组的动作温度，从靠近比较例一逐步移动到靠近比较例二。

这就是说该样品对大容量电池比较合适，由于大容量电池的充电电流大，需要大的保持电流，能兼顾动作温度以下例如 60℃，大的保持电流，而在80℃，即使在很小的电流2A 都能完全动作，见表三。对于比较例一来说，没有办法实现高保持，见表二，而对于比较例二来说，在电池需要保护的温度85℃以下能有效保护。

本发明的内容和特点已揭示如上，然而前面叙述的本发明仅仅简要地或只涉及本发明的特定部分，本发明的特征可能比在此公开的内容涉及的更多。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应该包括在不同部分中所体现的所有内容的组合，以及各种不背离本发明的替换和修饰，并为本发明的权利要求书所涵盖。

Claims

1.一种大电流过流过温保护元件，用于电路保护，包含由两个金属箔片以及紧密夹固在两个金属箔片中间的具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层组成的芯片，其特征在于：

（b）两层具有不同动作温度的芯片电气并联连接。

2.根据权利要求1所述的大电流过流过温保护元件，其特征在于，所述芯片电气并联连接为纵向叠加，或横向叠加，或纵向和横向叠加的组合中的一种。

3.根据权利要求1所述的大电流过流过温保护元件，其特征在于，所述具有电阻正温度系数效应的导电复合材料基层由聚合物和导电填料组成，其中，所述聚合物选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

4.根据权利要求3所述的大电流过流过温保护元件，其特征在于，所述导电填料选自碳黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。

5.根据权利要求4所述的大电流过流过温保护元件，其特征在于，所述金属粉末选自：铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物。

6.根据权利要求4所述的电路保护元件，其特征在于，所述的导电陶瓷粉末选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

7.根据权利要求4所述的大电流过流过温保护元件，其特征在于，所述聚合物占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间。

8.根据权利要求4所述的大电流过流过温保护元件，其特征在于，所述导电填料的粒径为0.05μm～50μm，体积电阻率不大于0.03Ω.m，分散于所述聚合物中。