CN108808650A - 一种高安全性能的浪涌保护器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高安全性能的浪涌保护器芯片，包括压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管、过流保险器和引出端子，所述气体放电管与所述过流保险器串联后与所述正温度系数热敏电阻片并联，该串并联支路再与所述压敏电阻片串联，构成一个单端口组合电路，其中，所述过流保险器耐受电涌冲击的性能高于所述气体放电管，所述气体放电管耐受电涌冲击的性能高于所述压敏电阻片；所述单端口组合电路的两个引出端子中至少有一个为低热阻导热端头，所述压敏电阻片与所述正温度系数热敏电阻片热耦合，所述低热阻导热端头与所述压敏电阻片、所述正温度系数热敏电阻片中的其中一个或两个同时相互热耦合。

Description

一种高安全性能的浪涌保护器芯片

技术领域

本发明涉及电源领域，特别涉及一种高安全性能的浪涌保护器芯片。

背景技术

浪涌保护器(简称SPD)作为一种标准的低压电器，广泛应用于低压输配电线路中，可对线路中出现的由雷电等引起的电涌进行有效的吸收和抑制，对改善电网输电质量、保证用电电器安全具有明显的作用。

SPD的核心部件是浪涌抑制元件，最常用的是压敏电阻陶瓷芯片。由于输配电线路传输距离较长，又容易暴露在露天，相比室内电器设备更容易遭受高能量电涌脉冲，在SPD的设计寿命期内，压敏电阻陶瓷芯片更容易遭到超过额定规格的高能量电涌的多次冲击，造成压敏电阻的劣化失效。由于压敏电阻是短路失效模式，一旦击穿失效，就会引起供电线路短路故障，击穿点会出现炸裂、冒烟、拉弧、严重时甚至会造成起火燃烧。

改善方案一是最常用的方法，具体原理图见附图1，在压敏电阻陶瓷芯片1的两个端面电极上，分别焊接连接一片导电和导热性能都优异的薄铜片电极2，薄铜片电极2预制有引出端子3，薄铜片电极2在起到导电电极作用的同时也与压敏电阻陶瓷芯片1形成热耦合，能将压敏电阻陶瓷芯片1产生的热量传导到引出端子3上。在其中一个引出端子3上用低熔点合金5焊接一片弹性金属片4形成过热脱离器。当压敏电阻陶瓷芯片1劣化到漏电流进入毫安级时，开始进入加速劣化区，漏电流会使压敏电阻陶瓷芯片1发热促使漏电流进一步增大，又加速了压敏电阻陶瓷芯片1发热，最终将使压敏电阻陶瓷芯片1热击穿。当热量达到低熔点合金5熔断温度时，过热脱离器动作切断电源，使压敏电阻陶瓷芯片1在击穿短路前退出电网，达到了保护的目的。该方案可将大部份压敏电阻陶瓷芯片1的失效模式从恶性的短路模式转换为影响很小的开路模式，极大地提高了SPD的安全性。

但是该方案仍然还存在一些缺陷，由于过热脱离器的动作需要延迟数秒时间，而压敏电阻陶瓷芯片1漏电流进入毫安级开始加速劣化发热时，瓷体内部的缺陷已经很严重了，有部份芯片的缺陷严重到从开始发热到击穿短路的时间很短，热量还来不及传导到过热脱离器将低熔点合金5熔化，短路事故就发生了。另外一种并不少见的情况就是当压敏电阻陶瓷芯片1劣化到临近加速劣化区时，这时压敏电阻陶瓷芯片1的漏电流还小于毫安级，还能够维持热稳定，还能够在电网的工作电压下维持工作，但它此时的压敏电压值已经比刚开始投入使用时的初始值有明显的大幅度下降，这时的压敏电阻陶瓷芯片1的抗电涌冲击的能力已经很脆弱了，一个能量不算太大的电涌都可以将它击穿或接近击穿，此时它的击穿短路速度也是太快，过热脱离器来不及响应动作而起不到保护作用。

改善方案二是申请号为201310268111.6的中国发明专利，其原理图见附图2，将正温度系数陶瓷热敏电阻片12与气体放电管13并联后再与压敏电阻片11串联，并且热敏电阻片12与压敏电阻片11焊在一起形成热耦合，引出端14和引出端15并联在被保护电源线路上，焊接引线后采用环氧树脂包封、固化，形成封装层16。其特点是当压敏电阻片11劣化到漏电流显著增大开始发热进入加速劣化区后，发热温度耦合到正温度系数陶瓷热敏电阻片12，使其受热后阻值上升，减少了流入压敏电阻片11的漏电流，起到了延长劣化时间的作用，并且压敏电阻片11的发热温度达到热敏电阻片12的居里温度点后，正温度系数陶瓷热敏电阻片12变为高阻状态，限制了漏电流的增大，强制压敏电阻片11在居里温度点附近达到热平衡，压敏电阻片11可以带病在电网工作电压下维持工作。

但是该方案仍然存在一些严重的缺陷，首先是由于正温度系数陶瓷热敏电阻片12的限流作用，压敏电阻片11劣化得再厉害，发热温度也只维持在热敏电阻片12的居里点温度附近，不会脱离电网退出工作，直到压敏电阻片12的压敏电压值劣化降低到电网工作电压峰值的约二分之一时，当又一个电涌冲击将串联的放电管导通后，过低的压敏电压值箝不断跟随的电网电流，致使气体放电管13返回不了断开状态，就会将热敏电阻片12短路，保护电路失效，此时压敏电阻片11将立即击穿短路，造成严重的短路故障。理论上讲，如果没有其它的防护措施，大部分压敏电阻都会以这种方式失效。另外一种失效过程与方案一的情况类同，即当压敏电阻片11劣化到一定程度，即使还没有进入加速劣化区，但因其内部结构已经被严重破坏，其耐受电涌冲击的能力已经大幅度下降，此时一个电涌就可以将其击穿或接近击穿，而此时气体放电管13也处于导通状态，击穿或接近击穿的压敏电阻片11同样也丧失了箝断电网跟随电流的能力，导致热敏电阻片12保护电路失效，造成严重的短路故障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种高安全性能的浪涌保护器芯片。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种高安全性能的浪涌保护器芯片，包括压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管、过流保险器和引出端子，所述气体放电管与所述过流保险器串联后与所述正温度系数热敏电阻片并联，该串并联支路再与所述压敏电阻片串联，构成一个单端口组合电路，其中，所述过流保险器耐受电涌冲击的性能高于所述气体放电管，所述气体放电管耐受电涌冲击的性能高于所述压敏电阻片；

所述单端口组合电路的两个引出端子中至少有一个为低热阻导热端头，所述压敏电阻片与所述正温度系数热敏电阻片热耦合，所述低热阻导热端头与所述压敏电阻片、所述正温度系数热敏电阻片中的其中一个或两个同时相互热耦合。使用时，在所述低热阻导热端头连接过热脱离器，所述正温度系数热敏电阻片的居里温度点高于所述过热脱离器的动作温度。

本发明的工作原理分析如下：

由压敏电阻片、气体放电管、过流保险器组成的串联支路是吸收电涌脉冲的主通道，当没有电涌脉冲时，气体放电管处于断开状态，该支路呈开路状态；电涌到来时，气体放电管导通，电涌能量由此支路泄放。此时，气体放电管和过流保险器上的压降都非常低可忽略不计，SPD的限压保护水平主要由压敏电阻片决定。电涌消失后，压敏电阻片呈高阻状态，箝断了放电管的续流，使放电管回到断开状态。在耐受电涌冲击能力选择上，应遵循过流保险器>气体放电管>压敏电阻片，以保证劣化从压敏电阻片开始，才能有效启动劣化退出保护功能。

另一条支路是由压敏电阻片与正温度系数热敏电阻片串联而成的热保护支路，并通过导热端头连接到过热脱离器。当元件完好时，流过压敏电阻片的漏电流极小(微安级)，保护支路不发热，即使当电涌来临时，由于正温度系数热敏电阻片在常温下仍有几十到几百欧姆的阻值，电涌电流也会从与其并联导通的气体放电管低阻支路通过，不会使正温度系数热敏电阻片过载发热。

本发明的失效机理分析如下：

当压敏电阻片劣化到漏电流达到毫安级进入加速劣化区后，由耦合到的压敏电阻片的热量和增大的漏电流引起的发热，促使正温度系数热敏电阻片的阻值上升，并最终在居里温度点上方达到热平衡，把漏电流箝制在较小数值，使得压敏电阻片的劣化进程得以拉长。热量可以从容地从导热端头传导到过热脱离器、温度可以达到居里温度附近，过热脱离器的动作温度设定在低于居里温度处，就可以可靠地脱离动作，从而使劣化了的SPD脱离电网线路。本技术方案可以使大部分劣化后的SPD以这种安全的方式退出电网。

对于那些并不少见的特殊情况，即当劣化到一定程度或者已经处于加速劣化区的压敏电阻片，此时抗电涌冲击能力已经大幅下降，一个能量较强的电涌就可以把它直接击穿或接近击穿，并失去了箝断放电管跟随电流的能力。当电涌消失后，电网中的工作电压将施加在这条导通的支路上形成短路电流，此时串联在支路中的过流保险器将马上熔断，强行将支路转换为开路状态。而热敏电阻片和已经击穿的压敏电阻片仍然串联在电网中，电网工作电压仍然将施加在正温度系数热敏电阻片两端，它仍然能发热到居里温度点并使过热脱离器脱扣，过热脱离器就会动作切断电源，使损坏的SPD安全地退出电网。由于过热脱离器一般都设置有状态指示器或者电、声、光报警装置，很快就会被发现，维修人员可以方便地进行更换，达到了安全使用的目的。从而大大提高了SPD的安全性和可靠性，线路上连接的用电设备失效率也将大幅度减小。

需要说明的是，在热保护支路中，所述压敏电阻片与所述正温度系数热敏电阻片并不一定要形成热耦合，在选取合适的元件参数后，所述压敏电阻片或所述正温度系数热敏电阻片单独产生的热量以及增大的漏电流引起的发热，同样可促使过热脱离器动作，也可以达到本发明的发明目的。

进一步地，所述正温度系数热敏电阻片可以替换为呈线性特征的电阻，呈线性特征的电阻的电流跟电压基本成正比，即其特性方程主要是齐次线性的，并且遵从欧姆定律。呈线性特征的电阻在热保护支路中也可以起到以下作用：一是限流作用，当所述压敏电阻片加速劣化甚至击穿短路后，呈线性特征的电阻可以将热保护支路中的电流限制在安全值以内，不会造成所述浪涌保护器芯片短路烧毁；二是发热作用，安全值以内的电流持续通过所述压敏电阻片和呈线性特征的电阻将会使它们升温到使过热脱离器动作，同样可以达到热保护的目的。为达到上述效果，热保护支路的电流值在最不利的情况下(压敏电阻片击穿短路)为几十毫安至几安培为宜，对应的呈线性特征的电阻值为几千欧姆至几十欧姆。

在本发明中，呈线性特征的电阻既包括线性电阻，也允许含有一些非线性成分(该非线性成分要较小，其主要还是体现出欧姆定律特征)，但要求功率要足够大，耐压要足够高，至少要坚持到过热脱离器动作前不能损坏失效。

优选的，所述压敏电阻片的一个压敏电阻片电极面上焊接连接有正温度系数热敏电阻片和气体放电管，所述正温度系数热敏电阻片和气体放电管的另一个电极上分别连接有所述过流保险器的两个电极，所述压敏电阻片和/或所述正温度系数热敏电阻片上还焊接有低热阻导热端头，以实现元件的热耦合。

优选的，具有导热功能的低热阻导热端头采用铜等导热性能优良的材料，具有足够大的横截面积。并采用焊接等热耦合方式连接在发热源(压敏电阻片或正温度系数热敏电阻片上)，并且导热端头距发热源的距离要尽量的短、以获得最低的热阻，保证有足够的热量传导到过热脱离器。

优选的，所述压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管、过流保险器封装为一体。

优选的，所述压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管封装为一体形成封装体，所述过流保险器固定在所述封装体外部。

优选的，所述正温度系数热敏电阻片和气体放电管上预留有焊点，所述过流保险器固定连接在所述焊点上。

优选的，所述过流保险器由低熔点合金丝或自恢复保险元件组成，不仅体积小，且耐受大电涌冲击的性能较好。

优选的，所述过流保险器的耐冲击电流额定值高于所述气体放电管的耐冲击电流额定值，所述气体放电管的耐冲击电流额定值高于所述压敏电阻片的耐冲击电流额定值。

本发明还公开了一种高安全性能的浪涌保护器芯片，包括压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管、过流保险器和引出端子，所述气体放电管与所述过流保险器串联后与所述正温度系数热敏电阻片并联，该串并联支路再与所述压敏电阻片串联，构成一个单端口组合电路，其中，所述过流保险器耐受电涌冲击的性能高于所述气体放电管，所述气体放电管耐受电涌冲击的性能高于所述压敏电阻片；

所述单端口组合电路的两个引出端子中至少有一个为低热阻导热端头，所述低热阻导热端头与所述压敏电阻片、所述正温度系数热敏电阻片中的其中一个或两个同时相互热耦合。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明同时设有由压敏电阻片、气体放电管、过流保险器组成的串联支路是吸收电涌脉冲的主通道，以及由压敏电阻片与正温度系数热敏电阻片串联而成的热保护支路，且两条支路并联。在常规失效情况和特殊失效情况下，SPD的过热脱离器均会动作切断电源，使得SPD最终以开路模式退出电路，相对于传统的短路模式，极大地提高了SPD的安全性，防止了短路击穿时产生的冒烟、拉弧、甚至起火燃烧的恶性事故。同时，过热脱离器上设有的状态指示器或者电、声、光报警装置，使得损坏的SPD很快就会被发现，维修人员可以方便地进行更换，达到了安全使用的目的，从而大大提高了SPD的安全性和可靠性，线路上连接的用电设备失效率也将大幅度减小。

附图说明：

图1是背景技术所述的改善方案一的原理示意图。

图1中标记：1-压敏电阻陶瓷芯片，2-薄铜片电极，3-引出端子，4-弹性金属片，5-低熔点合金。

图2是背景技术所述的改善方案二的原理示意图。

图2中标记：11-压敏电阻片，12-热敏电阻片，13-气体放电管，14-引出端，15-引出端，16-封装层。

图3是本发明所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片的原理示意图。

图4是本发明所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片的俯视图。

图5是本发明所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片的侧视图。

图3-图5中标记：1-压敏电阻片，11-压敏电阻片电极面，2-正温度系数热敏电阻片，21-热敏电阻片电极面，3-气体放电管，4-过流保险器，5-引出端子，6内部连接线。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图3-图5所示，一种高安全性能的浪涌保护器芯片，包括压敏电阻片1、正温度系数热敏电阻片2、气体放电管3、过流保险器4和引出端子5，所述气体放电管3与所述过流保险器4串联后与所述正温度系数热敏电阻片2并联，该串并联支路再与所述压敏电阻片1串联，构成一个单端口组合电路，其中，所述过流保险器4耐受电涌冲击的性能高于所述气体放电管3，所述气体放电管3耐受电涌冲击的性能高于所述压敏电阻片1。

所述单端口组合电路的两个引出端子5中至少有一个为低热阻导热端头，所述压敏电阻片1与所述正温度系数热敏电阻片2热耦合，所述低热阻导热端头与所述压敏电阻片1热耦合，且所述低热阻导热端头与所述正温度系数热敏电阻片2热耦合。使用时，在所述低热阻导热端头连接过热脱离器，所述正温度系数热敏电阻片2的居里温度点高于所述过热脱离器的动作温度。优先推荐使用低熔点合金将弹性金属片焊接在导热端头上来形成过热脱离器，低熔点合金的熔化温度要低于所述正温度系数热敏电阻的居里温度点。

具体的组装方式为：

所述压敏电阻片1的一个压敏电阻片电极面11上焊接连接有正温度系数热敏电阻片2和气体放电管3，所述正温度系数热敏电阻片2另一个热敏电阻片电极面21和气体放电管3上分别通过内部连接线6连接有所述过流保险器4的两个电极，所述压敏电阻片1和正温度系数热敏电阻片2的另一个电极面上还焊接有低热阻导热端头，所述低热阻导热端头上用低熔点合金焊接一片弹性金属片形成过热脱离器，低熔点合金的熔化温度低于所述正温度系数热敏电阻的居里温度点。所述压敏电阻片1、正温度系数热敏电阻片2、气体放电管3、过流保险器4用绝缘材料将除两个引出端子外的表面裹封，完成本技术所述的单端口组合电路。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述压敏电阻片1、正温度系数热敏电阻片2、气体放电管3封装为一体形成封装体，所述过流保险器4固定在所述封装体外部。具体的，所述正温度系数热敏电阻片2和气体放电管3上预留有焊点，所述过流保险器4固定连接在所述焊点上。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高安全性能的浪涌保护器芯片，包括压敏电阻片(1)、正温度系数热敏电阻片(2)、气体放电管(3)、过流保险器(4)和引出端子(5)，其特征在于，所述气体放电管(3)与所述过流保险器(4)串联后与所述正温度系数热敏电阻片(2)并联，该串并联支路再与所述压敏电阻片(1)串联，构成一个单端口组合电路，其中，所述过流保险器(4)耐受电涌冲击的性能高于所述气体放电管(3)，所述气体放电管(3)耐受电涌冲击的性能高于所述压敏电阻片(1)；

所述单端口组合电路的两个引出端子(5)中至少有一个为低热阻导热端头，所述压敏电阻片(1)与所述正温度系数热敏电阻片(2)热耦合，所述低热阻导热端头与所述压敏电阻片(1)、所述正温度系数热敏电阻片(2)中的其中一个或两个同时相互热耦合。

2.根据权利要求1所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片，其特征在于，所述压敏电阻片(1)的一个压敏电阻片电极面(11)上焊接连接有正温度系数热敏电阻片(2)和气体放电管(3)，所述正温度系数热敏电阻片(2)和气体放电管(3)的另一个电极上分别连接有所述过流保险器(4)的两个电极，所述压敏电阻片(1)和/或所述正温度系数热敏电阻片(2)上还焊接有低热阻导热端头。

3.根据权利要求2所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片，其特征在于，所述压敏电阻片(1)、正温度系数热敏电阻片(2)、气体放电管(3)、过流保险器(4)封装为一体。

4.根据权利要求2所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片，其特征在于，所述压敏电阻片(1)、正温度系数热敏电阻片(2)、气体放电管(3)封装为一体形成封装体，所述过流保险器(4)固定在所述封装体外部。

5.根据权利要求4所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片，其特征在于，所述正温度系数热敏电阻片(2)和气体放电管(3)上预留有焊点，所述过流保险器(4)固定连接在所述焊点上。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片，其特征在于，所述过流保险器(4)由低熔点合金丝或自恢复保险元件组成。

7.根据权利要求1-5任一所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片，其特征在于，所述过流保险器(4)的耐冲击电流额定值高于所述气体放电管(3)的耐冲击电流额定值，所述气体放电管(3)的耐冲击电流额定值高于所述压敏电阻片(1)的耐冲击电流额定值。

8.一种高安全性能的浪涌保护器芯片，包括压敏电阻片(1)、正温度系数热敏电阻片(2)、气体放电管(3)、过流保险器(4)和引出端子(5)，其特征在于，所述气体放电管(3)与所述过流保险器(4)串联后与所述正温度系数热敏电阻片(2)并联，该串并联支路再与所述压敏电阻片(1)串联，构成一个单端口组合电路，其中，所述过流保险器(4)耐受电涌冲击的性能高于所述气体放电管(3)，所述气体放电管(3)耐受电涌冲击的性能高于所述压敏电阻片(1)；

所述单端口组合电路的两个引出端子(5)中至少有一个为低热阻导热端头，所述低热阻导热端头与所述压敏电阻片(1)、所述正温度系数热敏电阻片(2)中的其中一个或两个同时相互热耦合。

9.根据权利要求1或8所述的一种高安全性能的浪涌保护器芯片，其特征在于，所述正温度系数热敏电阻片(2)可替换为呈线性特征的电阻。