CN105513917A - 可控型pcb快速断路-熔断器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控型PCB快速断路-熔断器，包括上面部分和下面部分，上面部分和下面部分固定连接；上面部分包括第一基层，第一基层上覆盖有第一铜布线层，铜布线层包括第一电极，第一基层和第一电极上设有第一导孔；下面部分包括第二基层，第二基层的正面和反面分别设有第二铜布线层和第三铜布线层，第二铜布线层和第三铜布线层上设有第二电极，第二电极上设有插座连接器和第二导孔；第二基层中部设有贴片电阻，贴片电阻与上面部分之间设有空腔，空腔的外圆周上设有凹槽，凹槽上方设有传输线，空腔上方设有中间电极。结构简单，更换方便、成本低廉，既具备了工业快速熔断器的性能，解决了工业熔断器不能集成的问题，具备了断路器可控的优点。

Description

可控型PCB快速断路-熔断器

技术领域

本发明涉及电气工程继电保护的技术领域，具体涉及一种可控型PCB快速断路-熔断器，基于印刷电路板（PCB）为主要材料的工业断路器和保险丝，集成继电器和熔断器的功能于一体，可用于电力电子装置中对故障电路和器件进行保护和隔离。

背景技术

近年来，虽然电能转换装置可靠性在不断的提高，但功率电力电子元器件本身及其控制电路依然是故障率最集中的部分，可以占到总故障率的93%。针对电力系统装置短路电流和短路负载电流常见的过流故障，一般采用的保护方式就是将快速熔断器与需要保护的支路或功率器件串联，利用瞬间脉冲峰值电流将快速熔断器熔断，用于故障隔离、防止故障传播、保护电源等目的。而对于不能产生瞬间短路电流的电路而言，如果我们同样需要将故障单元隔离出来，如何控制熔断器使其熔断将成为实际面临的问题。另外，工业熔断器价格昂贵，不可控，不可集成化等一系列实际问题，制约了电力电子装置的小型化，集成化的快速发展。

工业保险丝在电力系统里起着不可估量的电路保护作用，它性能的优劣直接影响整个电路系统的质量。传统的工业保险丝体积比较大，成本相对较高，对于一般中等功率的电能转换装置很难将其集成到主功率电路板中；特别是在实际故障电路中，由于故障诊断或故障预测单元的增加，需要在故障发生前就将故障单元隔离，但此时又没有短路支路形成大电流让熔断器熔断，这时就需要采用断路器通过外部信号将其关断，来达到预保护的目的。但现在的断路器或继电器体积同样比较大，更不可能达到集成化，加之其成本相对比较高，更换困难等，很难将电能转换装置在降低成本的前提下，同时兼顾集成性和可靠性。

发明内容

针对于如何为故障支路或故障器件提供经济、有效的保护问题，同时也为了满足电力电子装备在不增加成本的前提下，可以满足可控化、小型化，集成化的发展趋势，本发明提供了一种可控型PCB快速断路-熔断器，具备了断路器可控的优点，熔断器反应速度灵敏的优点，同时结构简单、可靠性高、易于更换、易于集成、成本低廉，在工作状态下有良好的性能表现。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种可控型PCB快速断路-熔断器，包括上面部分和下面部分，上面部分和下面部分由PCB印刷电路板制成，上面部分和下面部分固定连接；所述上面部分包括第一基层，第一基层上覆盖有第一铜布线层，铜布线层包括第一电极，第一基层和第一电极上设有第一导孔；所述下面部分包括第二基层，第二基层的正面和反面分别设有第二铜布线层和第三铜布线层，第二铜布线层和第三铜布线层上设有第二电极，第二电极上设有插座连接器和与第一导孔相对应的第二导孔；所述第二基层中部设有贴片电阻和与贴片电阻相连的铜布线，贴片电阻与上面部分之间设有空腔，空腔的外圆周上设有凹槽，凹槽上方的第一基层上设有传输线，空腔上方的第一基层上设有中间电极。

所述第一基层和第二基层上均设有诊断铜布线，第一电极关于诊断铜布线对称设置，第二电极关于诊断铜布线对称设置，中间电极关于诊断铜布线对称设置。

所述上面部分和下面部分通过穿过第一导孔和第二导孔的铜针焊接连接；上面部分的诊断铜布线和下面部分的诊断铜布线通过穿过第三导孔的铜针焊接连接；所述贴片电阻上放置有硝化纤维液体。

所述中间电极的数量为2个，2个中间电极关于诊断铜布线对称，第一电极与中间电极之间设有传输线。

所述第一基层为圆形，中间电极为半圆形，第一电极设有4个，每个第一电极与中间电极之间设有3个等间隔均匀分布的传输线，传输线为长方形。

所述每个第一电极上均设有6个导孔，导孔等间距分布在第一电极上的外边缘侧。

所述下面部分为矩形，下面部分上正反面均设有4个对称分布的第二电极；所述第二导孔位于第二电极的内侧，插座连接器位于第二电极的外侧。

所述插座连接器为由8针管脚插座连接器，下面部分通过插座连接器与主功率电路板相连接。

所述贴片电阻设有3个，贴片电阻成“品”字型排列于下面部分正面的中心位置，贴片电阻的两极通过铜布线引出到下面部分正面的上下边缘侧。

所述第一铜布线层、第二铜布线层和第三铜布线层均是18μm的均匀铜布线层，第一铜布线层的额定熔断电流为25A，热积累I²T的值为200A².s。

本发明利用成本低廉的PCB印刷电路板为原材料，通过对PCB板上的铜布线层平面结构进行设计，实现了集断路器和熔断器为一体的功率器件和电路保护单元，且该断路—熔断器结构简单，可控性高，易于更换和集成化，可以满足可控化、小型化，集成化的发展趋势，对于电气设备实际运行中的故障隔离和电路保护可以表现出良好的工作特性。

附图说明

图1为本发明剖视的结构示意图。

图2为本发明上面部分的主视图。

图3为本发明上面部分的剖视图。

图4为本发明下面部分的主视图。

图5为本发明下面部分的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式描述一下本发明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种可控型PCB快速断路-熔断器，包括上面部分20和下面部分21，上面部分20和下面部分21由低廉的PCB印刷电路板制成。上面部分20和下面部分21通过铜针焊接进行固定并且导通连接。上面部分20包括第一基层3，第一基层3上设有第一铜布线层1，第一基层3和第一铜布线层1上设有第一导孔2。下面部分21包括第二基层17，第二基层17正面设有第二铜布线层18和第三铜布线层14，第二铜布线层18位于第二基层17的正面，第三铜布线层14位于第二基层17的反面。正反面铜布线层18和14包括第二电极15和诊断铜布线4，第二电极15上设有插座连接器13和与第一导孔2相对应的第二导孔19。上面部分20和下面部分21通过穿过第一导孔2和第二导孔19的铜针焊接连接，焊点分别在第一铜布线层1的第一导孔2和第三铜布线层14的第二导孔19位置。

第一铜布线层1、第二铜布线层18和第三铜布线层14都是18μm厚度的均匀铜布线层，宽度和长度分别为0.5mm和1mm的长方形传输线7将熔断器的额定熔断电流限定为25A，热积累I²T的值为200A².s，因此，作为熔断器的第一铜布线层1的额定熔断电流为25A，热积累I²T的值为200A².s。第一铜布线层1包括第一电极8和诊断铜布线4，第一电极8关于诊断铜布线4对称设置。上面部分20包括对称的FUSE（保险丝）A和FuseB两部分，诊断铜布线4将FuseA和FuseB分隔开，且FuseA和FuseB关于诊断铜布线4对称。诊断铜布线4两端设有第三导孔10，上面部分20的诊断铜布线4和下面部分21的诊断铜布线4通过穿过第三导孔10的铜针焊接连接。

第一基层3为圆形，中间电极6为半圆形，第一电极8设有4个，每个第一电极8与中间电极6之间设有3个等间隔均匀分布的传输线7。传输线7为长方形。中间电极6的数量为2个，2个中间电极6关于诊断铜布线4对称，第一电极8与中间电极6之间设有传输线7。鉴于FuseA与FuseB的平面结构相同并相互对称，以FuseA平面结构为例做如下权利说明：FuseA平面主体结构包括：与外电路连接的左右两个第一电极8，半圆形的中间电极6和两组耦合三个电极的长方形传输线7。每个第一电极8上均设有6个导孔2，每组六个导孔2等间距分布在左右两个第一电极8的外边缘侧，用以插入铜针连接下面部分21。六个导孔2分成2组，每组3个且在同一圆上。每组各三条长方形传输线7等间距均匀分布在半圆形中间电极6的周围，中间电极6通过传输线7分别与两个第一电极8相连。

FuseA铜布线结构中心部分的中间电极6是以5mm为半径的半圆形，第一铜布线层1平面结构上的FuseA的第一电极8的是以5mm为宽度的半圆环形，半圆环形中间位置以1.5mm为宽度分开为FuseA的左右两个第一电极8。两个第一电极8的1/4圆环与中心的中间电极6通过长度为1mm，宽度为0.5mm的6条长方形传输线7相连接，每个第一电极8各连接三个长方形传输线7。三个长方形传输线7的铜布线间的圆周间距为2mm。上面部分20用于区分FuseA和FuseB的中间诊断铜布线4的尺寸为宽度为1.25mm，长度为22mm。

下面部分21的长和宽分别为：49mm和38mm。第二基层17中部设有贴片电阻12，贴片电阻12上放置有微量的硝化纤维液体，贴片电阻12通电后发热超过一定热量后硝化纤维液体燃烧。贴片电阻12设有3个，分别为R1、R2、R3三个热敏电阻，贴片电阻R1、R2、R3成“品”字型排列于下面部分21的中心位置，贴片电阻12的两极通过铜布线引出到下面部分21的上下边缘侧。电阻R2的两极经铜布线引致上边缘侧，电阻R3的两极经铜布线引致下边缘侧，电阻R1两极经铜布线分别引致上下边缘侧。

下面部分21为矩形，下面部分21上设有4个第二电极15，4个第二电极15关于矩形的中心线对称。第二导孔19位于第二电极15的内侧，插座连接器13位于第二电极15的外侧。第二导孔19与第一导孔2相对应，可以将铜针同时穿过第二导孔19和第一导孔2，并将铜针两端焊接在上面部分20的第一铜布线层和下面部分21反面第二铜布线层14，实现上面部分20与下面部分21的连接。插座连接器13为由8针管脚插座连接器，下面部分21通过插座连接器13与主功率电路板相连接。下面部分21反面的第三铜布线层14同样包括第二电极15，第二电极15上设有插座连接器13和与第一导孔2相对应的第二导孔19，所不同的是缺少的是位于中部的三个贴片电阻12和与电阻相连的铜布线22。

贴片电阻12与上面部分20之间设有空腔11，空腔11的外圆周上设有环形凹槽5，环形凹槽5上方所对应的第一基层3上设有传输线7，空腔11上方的第一基层3上设有中间电极6。第二导孔19与第一导孔2内焊接的铜针使第一基层3的外边缘侧9与下面部分21固定在一起，这样固定的方式还不能够使空腔11成为一个封闭的空间，于是外边缘侧9的外侧厚度设置的要比内边缘侧9略薄，这样的结构是为了在外边缘侧9略薄的部分涂抹固态密封硅胶，使空腔11成为一个封闭的空间。由于凹槽5的设置使中间电极6的所在的半圆形区域所对应下端的第一基层3的厚度稍厚，这样设置的目的是方便硝化纤维液体收到热敏电阻12的热激发并燃烧，使密闭空腔11的压强瞬间增大，所增大的压力能够完全作用在密闭空腔11的顶层。由于环形的凹槽5对应的第一基层3的厚度相比中间电极6对应的第一基层3略薄，因此受压断裂的位置会全部集中在环形凹槽5处。上面部分20的诊断铜布线4是与下面部分21反面的诊断铜布线4利用铜针穿过上上面部分20和下面部分21的第三导孔10焊接相连的。与下面部分21的诊断铜布线4相连接的左右两个第四导孔16可以通过焊接导线，将外接低电压直流电源与诊断铜布线4并联，通过很低的直流电流，并以此电流的通断来监测诊断铜布线4是否断裂，进而检测该装置的断路功能是否实现。

工作过程：作为熔断器时，FuseA与FuseB分别串联在被保护器件或支路的两端；通过插座连接器13接入主功率电路板中，主功率电路板中的电流流过第二电极15，通过铜针到达第一电极8、传输线7和中间电极6，当主功率电路板中的出现短路电流时，瞬间增大的过电流，会使FuseA与FuseB上的传输线7全部熔断断开，从而断开主功率电路板上所要保护的器件或支路与电源的连接。

作为断路器使用时，FuseA与FuseB同样分别串联在被保护器件或支路的两端；主功率电路板上的电流流经的路径与作为熔断器时流经的路径相同。当主功率电路中的器件或支路需要保护或者隔离的时候，此时通过外部开关电源给贴片热敏电阻12通以电流使其发热，热量将会点燃硝化纤维液体，从而在封闭的空腔11内形成很强的气压，并在环形凹槽5处断开，即传输线7和上面部分的诊断铜布线4断开，从而实现电路的断路功能。

本发明通过利用成本低廉的PCB印刷电路板为原材料，通过对PCB板上的铜布线层平面结构进行设计，实现了集断路器和熔断器为一体的功率器件和电路保护单元。此断路—熔断器结构简单，可控性高，易于更换和集成化。对于电气设备实际运行中的故障隔离和电路保护表现出良好的工作特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，包括上面部分（20）和下面部分（21），上面部分（20）和下面部分（21）由PCB印刷电路板制成，上面部分（20）和下面部分（21）固定连接；所述上面部分（20）包括第一基层（3），第一基层（3）上覆盖有第一铜布线层（1），铜布线层（1）包括第一电极（8），第一基层（3）和第一电极（8）上设有第一导孔（2）；所述下面部分（21）包括第二基层（17），第二基层（17）的正面和反面分别设有第二铜布线层（18）和第三铜布线层（14），第二铜布线层（18）和第三铜布线层（14）上设有第二电极（15），第二电极（15）上设有插座连接器（13）和与第一导孔（2）相对应的第二导孔（19）；所述第二基层（17）中部设有贴片电阻（12）和与贴片电阻（12）相连的铜布线（22），贴片电阻（12）与上面部分（20）之间设有空腔（11），空腔（11）的外圆周上设有凹槽（5），凹槽（5）上方的第一基层（3）上设有传输线（7），空腔（11）上方的第一基层（3）上设有中间电极（6）。

2.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述第一基层（3）和第二基层（17）上均设有诊断铜布线（4），第一电极（8）关于诊断铜布线（4）对称设置，第二电极（15）关于诊断铜布线（4）对称设置，中间电极（6）关于诊断铜布线（4）对称设置。

3.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述上面部分（20）和下面部分（21）通过穿过第一导孔（2）和第二导孔（19）的铜针焊接连接；上面部分（20）的诊断铜布线（4）和下面部分（21）的诊断铜布线（4）通过穿过第三导孔（10）的铜针焊接连接；所述贴片电阻（12）上放置有硝化纤维液体。

4.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述中间电极（6）的数量为2个，2个中间电极（6）关于诊断铜布线（4）对称，第一电极（8）与中间电极（6）之间设有传输线（7）。

5.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述第一基层（3）为圆形，中间电极（6）为半圆形，第一电极（8）设有4个，每个第一电极（8）与中间电极（6）之间设有3个等间隔均匀分布的传输线（7），传输线（7）为长方形。

6.根据权利要求1或3所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述每个第一电极（8）上均设有6个导孔（2），导孔（2）等间距分布在第一电极（8）上的外边缘侧。

7.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述下面部分（21）为矩形，下面部分（21）上正反面均设有4个对称分布的第二电极（15）；所述第二导孔（19）位于第二电极（15）的内侧，插座连接器（13）位于第二电极（15）的外侧。

8.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述插座连接器（13）为由8针管脚插座连接器，下面部分（21）通过插座连接器（13）与主功率电路板相连接。

9.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述贴片电阻（12）设有3个，贴片电阻（12）成“品”字型排列于下面部分（21）正面的中心位置，贴片电阻（12）的两极通过铜布线（22）引出到下面部分（21）正面的上下边缘侧。

10.根据权利要求1所述的可控型PCB快速断路-熔断器，其特征在于，所述第一铜布线层（1）、第二铜布线层（18）和第三铜布线层（14）均是18μm的均匀铜布线层，第一铜布线层（1）的额定熔断电流为25A，热积累I²T的值为200A².s。