CN109727739A - 包括多个变阻器晶片的过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

一种过电压保护装置包括第一电极构件、第二电极构件和变阻器组件。所述变阻器组件包括：多个变阻器晶片，每个变阻器晶片由变阻器材料形成；以及至少一个导电互连构件，所述至少一个导电互连构件将所述变阻器晶片电并联连接在所述第一电极构件与所述第二电极构件之间。所述变阻器晶片轴向地堆叠在所述第一电极与所述第二电极之间。

Description

包括多个变阻器晶片的过电压保护装置

发明领域

本发明涉及电路保护装置，并且更具体地，涉及过电压保护装置和方法。

背景技术

经常地，横跨向住宅和商业以及机构设施递送电力的服务线路所施加过大的电压或电流。例如，这样的过电压或电流尖峰(瞬态过电压和浪涌电流)可能是雷击造成的。在电信分配中心、医院和其它设施中，上述事件可能特别令人担忧，因为由过电压和/或电流浪涌造成的设备损坏以及所得的停机时间可能非常昂贵。

通常，可以使用电涌保护装置(SPD)来保护敏感电子设备免受瞬态过电压和电涌电流。例如，简要参考图1，图1是保护传统过电压和电涌保护的系统。过电压保护装置12可以安装在要保护的设备50的电力输入部，当所述设备发生失效时，通常保护所述设备免受过电流的影响。SPD的典型失效模式是短路。通常所采用的过电流保护是用以保护装置免受因泄漏电流增加而导致的过热的内部热断路器和用以保护装置免受较高故障电流的外部保险丝的组合。不同的SPD技术可能会避免使用内部热断路器，因为一旦出现失效，它们会将操作模式改变为低欧姆电阻。以这种方式，装置可能承受显著的短路电流。在这方面，可能不存在对内部热断路器的操作需要。除此之外，展现甚至更高短路耐受能力的一些实施例也可以仅由设备中的主断路器来保护，而不需要专用支路熔断器。

现在参考图2，图2是包括传统电涌保护的系统的框图。如所图示，三相线可以连接到一个或多个变压器66并且向其供应电能，变压器66又可以向主断路器68供应三相电能。三相电力可以被提供给一个或多个分配面板62。如所图示，三相电力的三条电压线可以被指定为L1、L2和L3，并且中性线可以被指定为N。在一些实施例中，中性线N可以导电地联接到大地。

一些实施例包括电涌保护装置(SPD)15。如图所示，SPD 15中的每个可以连接在L1、L2和L3中的相应一个与中性(N)之间。SPD 15可以保护装置中的其它设备，例如配电面板等。另外，在长期过电压的情况下，SPD可以被用于保护所有设备。然而，这样的状况可能会迫使SPD长时间传导有限的电流，这可能会导致SPD过热，并且可能导致其失效(取决于SPD能够吸收的能量承受能力以及过电压状况的水平和持续时间)。在本示例中，SPD 15的典型操作电压可以是大约400伏(针对690伏L-L系统)。在这方面，SPD 15将各自作为绝缘体执行，并且因此在正常操作状况下不传导电流。在一些实施例中，SPD 15的操作电压足够高于正常的线-中性电压，以确保即使在系统电压由于中性损耗或其它电力系统问题可能引起的过电压状况而增加的情况下，SPD 15仍将继续作为绝缘体执行。

在例如L1中出现浪涌电流的情况下，电力系统负载装置的保护可能需要为浪涌电流的过电流提供接地电流路径。浪涌电流可能在L1与N之间产生瞬态过电压。由于瞬态过电压显著超过SPD 15的操作电压，SPD 15将变得可导电，从而允许过量电流从L1穿过SPD 15流向中性N。一旦浪涌电流已经传导到N，过电压状况结束，并且SPD 15可能再次变为不可导电。然而，在一些情况下，即使是在低于SPD 15的操作电压的电压下，一个或多个SPD 15也可能开始允许传导泄漏电流。这样的状况可能发生在SPD劣化的情况下。

如上所提供，用于保护设备免受过电压或电流尖峰(瞬态过电压和浪涌电流)的装置可以包括变阻器(例如，金属氧化物变阻器(MOV)和/或碳化硅变阻器)。

发明内容

根据本发明的实施例，一种过电压保护装置包括第一电极构件、第二电极构件和变阻器组件。所述变阻器组件包括：多个变阻器晶片，每个变阻器晶片由变阻器材料形成；和至少一个导电互连构件，所述至少一个导电互连构件将所述变阻器晶片电并联连接在所述第一电极构件与所述第二电极构件之间。所述变阻器晶片轴向地堆叠在所述第一电极与所述第二电极之间。

根据一些实施例，所述多个变阻器晶片包括第一变阻器晶片、第二变阻器晶片和第三变阻器晶片，并且所述至少一个互连构件包括将所述变阻器晶片电并联连接在所述第一电极构件与所述第二电极构件之间的至少第一和第二互连构件。

在一些实施例中，所述第一互连构件接触并且电连接所述第一电极构件以及所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每个，并且所述第二互连构件接触并且电连接所述第二电极构件以及所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每个。

在一些实施例中，所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每个包括相对的平坦接触面，所述第一互连构件和所述第二互连构件中的每个包括两个间隔开的平坦接触部分和在所述接触部分之间延伸并且电连接所述接触部分的桥接部分，并且所述接触部分接合所述平坦接触面。

在一些实施例中，每个接触部分接合由此接合的每个接触面的至少40％。

根据一些实施例，每个变阻器晶片具有在从大约0.5mm到15mm的范围内的厚度。

根据一些实施例，每个变阻器晶片包括形成所述变阻器晶片的相对的平坦接触面的金属化层。

根据一些实施例，所述过电压保护装置包括将所述变阻器组件中的所述变阻器晶片中的所述至少两个彼此结合的结合剂。在一些实施例中，所述结合剂是氰基丙烯酸酯基粘合剂和环氧基粘合剂中的至少一种。在一些实施例中，所述结合剂结合到所述变阻器晶片的周边边缘。在一些实施例中，所述结合剂包括结合到所述变阻器晶片的所述周边边缘的周向间隔开的多个结合剂块。

根据一些实施例，所述第一电极包括壳体电极，所述壳体电极包括共同限定空腔的端壁和一体侧壁，所述第二电极延伸到所述空腔中，并且所述变阻器组件设置在所述空腔中。在一些实施例中，所述壳体电极由金属整体形成。在一些实施例中，所述过电压保护装置包括向所述变阻器组件施加轴向压缩性负载的偏压装置。

根据一些实施例，所述过电压保护装置包括向所述变阻器组件施加轴向压缩性负载的偏压装置。

根据一些实施例，所述过电压保护装置包括导电可熔化构件，其中所述可熔化构件响应于所述过电压保护装置中的热而熔化并且形成横跨所述第一电极构件和所述第二电极构件的电短路路径。

在一些实施例中，所述过电压保护装置包括围绕所述变阻器组件的至少一部分的空隙填充构件，其中所述空隙填充构件由电绝缘材料形成。

在一些实施例中，所述空隙填充构件包括接纳凹部，并且所述互连构件的一部分向外延伸超过所述多个变阻器并且设置在所述接纳凹部中。

根据一些实施例，所述第一电极包括壳体电极，所述壳体电极包括共同限定腔室的端壁和一体侧壁，所述腔室包括第一子腔室和与所述第一子腔室流体连通的第二子腔室，所述可熔化构件设置在所述第一子腔室中，所述变阻器组件设置在所述第二子腔室中，并且所述间隙空间限定在变阻器组件和侧壁之间；并且所述空隙填充构件设置在所述间隙空间中以限制所述可熔化构件流入到所述间隙空间中。

在一些实施例中，所述空隙填充构件占据所述间隙空间的至少50％。

根据一些实施例，所述变阻器组件包括轴向插置并且堆叠在所述多个变阻器晶片中的至少两个之间的绝缘体晶片。

根据一些实施例，所述第一电极是整体壳体电极，所述壳体电极包括第一和第二空腔，所述变阻器组件设置在所述第一空腔中，并且所述过电压保护装置进一步包括第二变阻器组件和第三电极构件。所述第二变阻器组件设置在所述第二空腔中。所述第二变阻器组件包括：多个变阻器晶片，每个变阻器晶片由变阻器材料形成；和至少一个导电互连构件。所述第二变阻器组件的所述变阻器晶片轴向地堆叠在所述壳体电极与所述第三电极之间。所述第二变阻器组件的所述至少一个互连构件将所述第二变阻器组件的所述变阻器晶片电并联连接在所述壳体电极与所述第三电极之间。

根据进一步的实施例，变阻器组件包括：多个变阻器晶片，每个变阻器晶片由变阻器材料形成；至少一个导电互连构件，所述至少一个导电互连构件将所述变阻器晶片电并联连接；和结合剂，所述结合剂将所述变阻器组件中的所述变阻器晶片中的至少两个彼此结合。所述变阻器晶片和所述至少一个互连构件轴向地堆叠。

在一些实施方案中，所述结合剂是氰基丙烯酸酯基粘合剂和环氧基粘合剂中的至少一种。

在一些实施例中，所述结合剂结合到所述变阻器晶片的周边边缘。

在一些实施例中，所述结合剂包括结合到所述变阻器晶片的所述周边边缘的多个周向间隔开的结合剂块。

根据本发明的方法实施例，一种用于形成变阻器组件的方法包括：提供各自由变阻器材料形成的多个变阻器晶片；提供至少一个导电互连构件；轴向地堆叠所述变阻器晶片和所述至少一个互连构件，使得所述至少一个互连构件电并联连接变阻器晶片；此后，向所述变阻器晶片和所述至少一个互连构件施加轴向负载；并且此后，使用结合剂将所述变阻器组件中的所述变阻器晶片中的至少两个彼此结合。

根据进一步的实施例，过电压保护装置包括第一电极构件、第二电极构件、变阻器、导电可熔化构件和空隙填充构件。所述变阻器插置在所述第一电极与所述第二电极之间并且电连接到所述第一电极和所述第二电极中的每个。所述可熔化构件响应于所述过电压保护装置中的热而熔化并且形成横跨所述第一电极构件和所述第二电极构件的电短路路径。所述空隙填充构件围绕所述变阻器的至少一部分。所述空隙填充构件由电绝缘材料形成。所述过电压保护装置包括限定腔室的侧壁，所述腔室包括第一子腔室和与所述第一子腔室流体连通的第二子腔室。所述可熔化构件设置在所述第一子腔室中。所述变阻器组件设置在所述第二子腔室中，并且间隙空间被限定在所述变阻器组件与所述侧壁之间。所述空隙填充构件设置在所述间隙空间中以限制所述可熔化构件流入到所述间隙空间中。

在一些实施例中，所述空隙填充构件占据所述间隙空间的至少50％。

注意，关于一个实施例描述的本发明的各方面可以并入于不同的实施例中，尽管没有相对于其具体描述。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式来组合和/或是组合。在下面阐述的说明书中详细解释了本发明的这些和其它目的和/或方面。

附图说明

附图被包括在内以提供对本发明的进一步理解，并且被并入于本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了本发明的一些实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是包括传统电涌保护的系统的框图。

图2是包括传统电涌保护的系统的框图。

图3是根据本发明的一些实施例的过电压保护装置的透视图。

图4是图3的过电压保护装置的分解透视图。

图5是沿着图3的线5-5截取的图3的过电压保护装置的横截面图。

图6是形成图3的过电压保护装置的一部分的变阻器组件的透视图。

图7是图6的变阻器组件的分解透视图。

图8是沿着图6的线8-8截取的图6的变阻器组件的横截面图。

图9是表示图6的变阻器组件的电路的示意图。

图10是根据本发明的进一步实施例的过电压保护装置的透视图。

图11是图10的过电压保护装置的分解透视图。

图12是沿着图10的线12-12截取的图10的过电压保护装置的横截面图。

图13是根据本发明的进一步实施例的过电压保护装置的横截面图。

图14是根据本发明的进一步实施例的过电压保护装置的横截面图。

图15是根据本发明的进一步实施例的过电压保护装置的透视图。

图16是沿着图15的线16-16截取的图15的过电压保护装置的横截面图。

图17是根据本发明的进一步实施例的过电压保护装置的横截面图。

图18是图17的过电压保护装置的分解透视图。

图19是沿着图17的线19-19截取的图17的过电压保护装置的横截面图。

图20是形成图17的过电压保护装置的一部分的空隙填充构件的俯视图。

图21是根据本发明的进一步实施例的过电压保护装置的横截面图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的图示性实施例。在附图中，为了清楚起见，区域或特征的相对尺寸可能被放大了。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开内容将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围

将理解，当元件被称为“联接”或“连接”到另一个元件时，它可以直接联接或连接到另一个元件，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接联接”或“直接连接”到另一个元件时，不存在介入元件。贯穿全文，相同的数字表示相同的元件。

另外，为了便于描述，在本文中可以使用空间相关术语，例如“在...之下”、“在...下方”、“下部”、“在...上方”、“上部”等，来描述一个元件或特征与另一个(另一些)元件或特征的关系，如图中所图示。应当理解，空间相关术语意在囊括除了图中所描绘的定向之外的使用或操作中的装置的不同定向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为“在其它元件或特征之下”或“下方”的元件将被定向为“在其它元件或特征的上方”。因此，示例性术语“在...之下”可以囊括在...上方和在...下方的取向。装置可以以其它方式定向(旋转90度或以其它定向)，并且在本文中使用的空间相关描述符被相应地解释。

为了简洁和/或清楚起见，可能不详细描述众所周知的功能或构造。

如本文中所使用，表述“和/或”包括相关联列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

本文中所使用的术语仅仅是出于描述特定的实施例的目的，而不是意在限制本发明。如本文中所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”意在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，术语“包括”和/或“包括”在本说明书中使用时指定了所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。将进一步理解，术语，例如在常用词典中定义的术语，应当被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确定义，否则将不会被解释为理想化或过于正式的意义。

如本文中所使用，“单体”意指由没有接头或接缝的材料形成或组成的单个整体件。

如本文中所使用，术语“晶片”意指具有与其直径、长度或宽度尺寸相比相对较小的厚度的基片。

参考图1到图9，其中示出了并且以100标示了根据本发明的实施例的模块化电涌保护装置(SPD)或过电压保护装置。根据一些实施例，过电压保护装置100被用作如上文所讨论的电路中的SPD。例如，过电压保护装置100可以用来代替图1的系统中的SPD12，或者代替图2的系统中的SPD 15。

过电压保护装置100被配置为具有纵轴线A-A的单元或模块(图5)。过电压保护装置100包括第一电极或壳体122、活塞形第二电极124、四个弹簧垫圈128E、扁平垫圈128D、绝缘环构件128C、两个O形环130A、130B、端帽128A、保持夹子128B、可熔化构件132和绝缘套筒134。

过电压保护装置100进一步包括根据本发明的实施例的变阻器组件150。变阻器组件150包括第一变阻器构件152、第二变阻器构件154、第三变阻器晶片156、第一内部互连构件160、第二内部互连构件162和结合剂164。

过电压保护装置100可以进一步包括一体的失效安全机构、布置、特征或系统102。失效安全系统102适于防止或抑制过电压保护装置的过热或热失控，如下面更详细讨论的。

部件122、124、128A-C共同形成限定密封的封闭腔室126的壳体组件121。部件122、124、128A-E、132和150在封闭腔室126中沿着纵轴线A-A轴向地布置在壳体122与电极124之间。

壳体122具有端部电极壁122A和从电极壁122A延伸的一体圆柱形侧壁122B。侧壁122B和电极壁122A形成与开口122D连通的腔室或空腔122C。螺纹柱122E从电极壁122A轴向向外突出。

电极壁122A具有向内面向的基本上平坦的接触表面122G。环形夹子狭槽122H形成在侧壁122B的内表面中。根据一些实施例，壳体122由铝形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，壳体122是整体的，并且在一些实施例中是单体的。所图示的壳体122是圆柱形的，但是可以是不同的形状。

内部电极124具有设置在空腔122C中的头部124A和向外突出穿过开口122D的一体轴122B。

头部124A具有面向电极壁122A的接触表面122G的基本上平坦的接触表面124c。一对一体的、环形的、轴向间隔开的凸缘124D从轴124B径向地向外延伸，并且在它们之间限定环形的横向开口凹槽124E。螺纹孔124F形成在轴124B的端部中，以接纳例如用于将电极124固定到汇流排的螺栓。在轴124B中限定了环形的横向开口凹槽124G。

根据一些实施例，电极124由铝形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，电极124是整体的，并且在一些实施例中是单体的。

电极122、124、绝缘环128C和端帽128A共同限定了含有可熔化构件132和变阻器组件150的封闭腔室126。

在头部124A与侧壁122B的最近毗邻表面之间径向地限定了环形间隙。根据一些实施例，间隙具有在从大约1到15mm的范围内的径向宽度。

可熔化构件132是环形的，并且在电极124上安装在凹槽124E中。可熔化构件132与侧壁122B间隔开足以将可熔化构件132与侧壁122B电绝缘的距离。

可熔化构件132由可热熔的导电材料形成。根据一些实施例，可熔化构件132由金属形成。根据一些实施例，可熔化构件132由导电金属合金形成。根据一些实施例，可熔化构件132由来自由铝合金、锌合金和/或锡合金组成的组的金属合金形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。

根据一些实施例，选择可熔化构件132使得其熔点大于规定的最大标准操作温度。最高标准操作温度可以是在正常操作(包括在系统的设计范围内处理过电压浪涌)期间可熔化构件132中预期的最高温度，但不是在如果不加以检查会导致热失控的操作期间。根据一些实施例，可熔化构件132由具有在从大约80℃到160℃范围内并且根据一些实施例在大约130℃到150℃范围内的熔点的材料形成。根据一些实施例，可熔化构件132的熔点比壳体122和电极124的熔点低至少20℃，并且根据一些实施例，比那些部件的熔点低至少40℃。

根据一些实施例，可熔化构件132具有在大约0.5×10⁶西门子/米(S/m)至4×10⁷S/m的范围内并且根据一些实施例在从大约1×10⁶S/m至3×10⁶S/m的范围内的电导率。

三个变阻器晶片152、154、156和两个互连构件160、162轴向地堆叠在电极头部124与电极壁122之间的腔室126中，并且形成变阻器组件150。互连构件160、162以图9的示意性电路图中表示的方式将晶片152、154、156和电极122、124电互连。

根据一些实施例，每个变阻器晶片152、154、156是变阻器晶片(即，是晶片或盘形的)。在一些实施例中，每个变阻器晶片152、154、156在形状上是圆形的，并且具有基本上均匀的厚度。然而，变阻器晶片152、154、156可以以其它形状形成。变阻器晶片152、154、156的厚度和直径将取决于特定应用所需的变阻器特性。

在一些实施例中，每个变阻器晶片152、154、156具有至少为3的直径D1与厚度T1比率。在一些实施例中，每个变阻器晶片152、154、156的厚度T1(图8)在从大约0.5mm到15mm的范围内。在一些实施例中，每个变阻器晶片152、154、156的直径D1(图8)在大约20mm到100mm的范围内。

变阻器晶片152具有相反的第一基本上平坦的接触表面152U和第二基本上平坦的接触表面152L以及周边边缘152E。变阻器晶片154具有相反的第一基本上平坦的接触表面154U和第二基本上平坦的接触表面154L以及周边边缘154E。变阻器晶片156具有相反的第一基本上平坦的接触表面156U和第二基本上平坦的接触表面156L以及周边边缘156E。

变阻器材料可以是传统上被用于变阻器的任何合适的材料，即在施加电压的情况下展现出非线性电阻特性的材料。优选地，当超过规定电压时，电阻变得非常低。变阻器材料可以是例如掺杂的金属氧化物或碳化硅。合适的金属氧化物包括氧化锌化合物。

每个变阻器晶片152、154、156可以包括在两侧涂有导电涂层157的变阻器材料的晶片，使得涂层的暴露表面用作接触表面152U、152L、154U、154L、156U、156L。涂层可以是例如由铝、铜或银形成的金属化层。可替选地，变阻器材料的裸露表面可以用作接触表面152U、152L、154U、154L、156U、156L。

互连构件160、162是导电的。互连构件160包括由桥接部分160B连接的一对轴向间隔开的盘形接触部分160U、160L。互连构件162包括由桥接部分162B连接的一对轴向间隔开的盘形接触部分162U、162L。

根据一些实施例，每个接触部分160U、160L、162U、162L基本上是平坦的、相对薄的并且是晶片或盘形的。在一些实施例中，每个接触部分160U、160L、162U、162L具有至少15的直径D2(图8)与厚度T2(图8)比率。在一些实施例中，每个接触部分160U、160L、162U、162L的厚度T2在从大约0.1mm到3mm的范围内。在一些实施例中，每个接触部分160U、160L、162U、162L的直径D2在从大约20到100mm的范围内。

根据一些实施例，每个接触部分160U、160L、162U、162L不具有延伸穿过接触部分的厚度的任何通孔。

在一些实施例中，每个桥接部分160B、162B的宽度W3(图6)在从大约2mm到10mm的范围内。每个桥接部分160B、162B的横截面积应该足够大，以承受在变阻器晶片152、154、156中的一个或多个可能失效之后可能流过SPD的短路电流。

根据一些实施例，互连构件160、162由铜形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，互连构件160、162是整体的，并且在一些实施例中是单体的。

在变阻器组件150中，变阻器晶片154插置或夹在变阻器晶片152、156之间，变阻器晶片152、154、156插置或夹在互连构件160、162之间，并且互连构件160、162彼此交错，如图6和图8中所示。接触部分160U接合接触表面152U。接触部分160L接合接触表面154L和156U。接触部分162U接合接触表面152L和154U。接触部分162L接合接触表面156L。每个所述接合在所指定的互连构件接触部分与变阻器接触表面之间形成紧密的物理或机械接触。每个所述接合在所指定的互连构件接触部分与变阻器接触表面之间形成直接电连接或联接。接触部分160U和162L形成或用作变阻器组件150的外部电极接触表面。

每个桥接区段160B、162B包括一对凸片区段163(从接触部分160U、160L或162、162L径向地向外延伸)和连接凸片区段163并且与变阻器晶片152、154、156的毗邻周边边缘径向地间隔开的轴向延伸连接区段165。在一些实施例中，每个连接区段165位于与变阻器晶片152、154、156的毗邻周边边缘相距距离D3(图8)处。在一些实施例中，距离D3在从大约0.5到15mm的范围内。

根据一些实施例，如图所示，不存在插置在部件152、154、156、160、162之间的电绝缘体。

在一些实施例中，变阻器晶片152、154、156通过结合剂164彼此固定。根据一些实施例，结合剂164位于毗邻的变阻器晶片152、154、156处并且在其周边边缘处将其固定。在一些实施例中，结合剂164被提供为结合剂164的多个离散的、间隔开的贴片或斑点。接合被用于在过电压保护装置100的运输和组装期间将变阻器组件150的部件保持在适当位置。

在一些实施例中，如图5、图6和图7所示，结合剂164包括位于每个桥接部分160B、162B与变阻器晶片152、154、156的毗邻边缘之间的桥接部分160、162B内的一个或若干结合剂部分164’。以这种方式，这些结合剂部分164’可以用作将桥接部分160B、162B与变阻器晶片152、154、156的边缘电绝缘的电绝缘体。

根据一些实施例，结合剂164是粘合剂。如本文中所使用，粘合剂是指源自天然和/或合成来源的粘合剂和胶水。粘合剂是结合到待结合表面(例如，变阻器晶片152、154、156的边缘表面)的聚合物。粘合剂可以是任何合适的粘合剂。在一些实施例中，粘合剂164在其周边边缘处固定变阻器晶片152、154、156，并且是位于周边边缘周围的离散的间隔开的贴片或斑点。

在一些实施例中，粘合剂164是氰基丙烯酸酯基粘合剂或环氧基粘合剂。合适的氰基丙烯酸酯粘合剂可以包括可从美利坚合众国的永固工程粘合剂公司(PermabondEngineeringAdhesives,Inc.)获得的永固737(Permabond737)粘合剂。

在一些实施例中，粘合剂具有高于40℃的高操作温度，不含有任何溶剂，并且具有高介电强度(例如，高于5kV/mm)。

在一些实施例中，每个涂层157的外周边被从变阻器晶片152、154、156的外周边径向插入，并且每个接触部分160U、160L、162U、162L的外周边被从涂层157的外周边径向插入。

在其它实施例中，变阻器晶片152、154、156通过导电焊料机械地固定并且直接电连接到相应的接触部分160U、160L、162U、162L。

根据本发明的实施例，变阻器组件150可以如下组装。

互连构件160、162可以预弯曲成图7中所示的形状。

在一些实施例中，每个接触部分160U、160L、162U、162L覆盖并且接合对应配合的变阻器晶片表面152U、152L、154U、154L、156U、156L的表面积的至少40％。

变阻器晶片152、154、156和互连构件160、162以图6和图8中所示的顺序和关系堆叠和交错。这个组件可以被组装或在组装后放置在固定装置中，以使变阻器晶片152、154、156和互连构件160、162相对于彼此横向地对准。在一些实施例中，变阻器晶片152、154、156和互连构件160、162基本上同轴对准。

对准的部件152、154、156、160、162被轴向压缩加载、挤压或夹紧在一起(例如，使用固定装置或附加的外部夹紧或加载装置)并且紧密接触。然后，在如上所讨论的位置处，结合剂164被施加到变阻器晶片152、154、156的周边边缘152E、154E、156E，并且固化。因此形成变阻器组件150。一旦结合剂164已经固化，外部加载装置就从变阻器组件150移除。

绝缘体套筒134是管状的并且通常是圆柱形的。根据一些实施例，绝缘体套筒134由高温聚合物形成，并且在一些实施例中，由高温热塑性塑料形成。在一些实施例中，绝缘体套筒134由聚醚酰亚胺(PEI)形成，例如可从沙特阿拉伯SABIC获得的ULTEM^TM热塑性塑料。在一些实施例中，绝缘体构件134由非增强聚醚酰亚胺形成。

根据一些实施例，绝缘体套筒134由具有大于可熔化构件132的熔点的熔点的材料形成。根据一些实施例，绝缘体套筒134由具有在从大约120℃到200℃范围内的熔点的材料形成。

根据一些实施例，绝缘体套筒134材料可以承受每毫米厚度25kv的电压。

根据一些实施例，绝缘体套筒134具有在从大约0.1mm到2mm的范围内的厚度。

弹簧垫圈128E围绕轴124B。每个弹簧垫圈128E包括接纳轴124B的孔。最下面的弹簧垫圈128E邻接头部124A的顶部面。根据一些实施例，弹簧垫圈孔与轴124B之间的间隙在从大约0.015英寸到0.035英寸的范围内。弹簧垫圈128E可以由弹性材料形成。根据一些实施例并且如所图示，弹簧垫圈128E是由弹簧钢形成的波形垫圈(如图所示)或贝氏(Belleville)垫圈。虽然示出了两个弹簧垫圈128E，但是可以使用更多或更少的弹簧垫圈。弹簧可以以不同的堆叠布置(例如串联、并联或串并联)来提供。

扁平金属垫圈128D在轴124B延伸穿过垫圈128D中所形成的孔的情况下插置在最上面的弹簧垫圈128E和绝缘体环128C之间。垫圈128D用于分配上部弹簧垫圈128E的机械负载，以防止弹簧垫圈128E切入到绝缘体环128C中。

绝缘体环128C覆盖并且邻接垫圈128D。绝缘体环128C具有主体环和从主体环向上延伸的圆柱形上部凸缘或套环。孔接纳轴124B。根据一些实施例，孔与轴124B之间的间隙在从大约0.025到0.065英寸的范围内。在主体环的顶部角部中形成向上和向外开口的周边凹槽。

绝缘体环128C优选地由具有高熔化和燃烧温度的电介质或电绝缘材料形成。绝缘体环128C可以由例如聚碳酸酯、陶瓷或高温聚合物形成。

端帽128A覆盖并且邻接绝缘体环128C。端帽128A具有接纳轴124B的孔。根据一些实施例，孔与轴124B之间的间隙在从大约0.1英寸到0.2英寸的范围内。端帽128A可以由例如铝形成。

夹子128B是弹性的和截头环形的。夹子128B部分地接纳在狭槽122H中，并且部分地从壳体122的内壁径向地向内延伸，以限制端帽128A的向外轴向位移。夹子128B可以由弹簧钢形成。

O形环130B定位在凹槽124G中，使得它被捕获在轴124B与绝缘体环128C之间。O形环130A定位在绝缘体环128C中的凹槽中，使得它被捕获在绝缘构件128C与侧壁122B之间。当安装时，O形环130A、130B被压缩，使得它们被偏压抵靠着毗邻的接口表面并且在毗邻的接口表面之间形成密封。在过电压或失效事件中，来自变阻器晶片152、154、156的副产物(例如，热气和碎片)可以填充或散布到腔室126中。这些副产物可以被O形环130A、130B约束或防止通过壳体开口122D而离开过电压保护装置100。

O形环130A、130B可以由相同或不同的材料形成。根据一些实施例，O形环130A、130B由弹性材料(例如，弹性体)形成。根据一些实施例，O形环130A、130B由橡胶形成。O形环130A、130B可以由碳氟橡胶(例如，从杜邦公司获得的VITON^TM)形成。也可以使用其它橡胶，例如丁基橡胶。根据一些实施例，橡胶具有介于大约60与100肖氏A之间的硬度。

电极头部124A和壳体端壁122A沿着负载或夹紧轴线C-C(图5)在方向F上持续地被偏压或加载抵靠着变阻器组件150，以确保上文所识别的接口接触表面之间的牢固和均匀接合。通过考虑根据本发明的用于组装单元100的方法，可以了解单元100的这个方面，如下文所描述。在一些实施例中，夹紧轴线C-C基本上与轴线A-A重合(图5)。

如上所述地组装部件152、154、156、160、162、164以形成变阻器组件150。变阻器组件150被放置在空腔122C中，使得互连构件162的下部接触表面或部分162L接合端壁122A的接触表面122G。

O形环130A、130B被安装在它们相应的凹槽中。

头部124A被插入到空腔122C中，使得接触表面124C接合互连构件160的上部接触表面或部分160U。

弹簧垫圈128E顺着轴124B滑下。垫圈128D、绝缘体环128C和端帽128A顺着轴124B滑下并且位于弹簧垫圈128E上方。使用夹具(未示出)或其它合适的装置来迫使端帽128A向下，又偏转弹簧垫圈128E。当端帽128A仍然处于夹具的负载下时，夹子128B被压缩并且插入到狭槽122H中。然后释放夹子128B并且允许其返回到其原始直径，于是夹子128B部分地填充狭槽，并且部分地从狭槽122H径向地向内延伸到空腔中。夹子128B和狭槽122H由此用于维持端帽128A上的负载，以部分地偏转弹簧垫圈128E。端帽128A到绝缘体环128C上和从绝缘体环到弹簧垫圈上的加载又被转移到头部124A上。以这种方式，变阻器组件150被夹(夹紧)在头部124A与电极壁122A之间。

当组装好过电压保护装置100时，壳体122、电极124、绝缘构件128C、端帽128A、夹子128B和O形环130A、130B共同形成含有腔室126中的部件的单元壳体或壳体组件121。

在组装好的过电压保护装置100中，部件122A、124A、152、154、156、160、162的大的平坦接触表面可以确保在过电压或浪涌电流事件期间在部件之间可靠和一致的电接触和连接。头部124A和端壁122A被机械加载抵靠着这些部件，以确保配合接触表面之间的牢固和均匀接合。

有利的是，过电压保护装置100将三个变阻器晶片152、154、156电并联集成在同一模块化装置中，使得在电传导期间，能量可以在变阻器晶片152、154、156之间共享。

过电压保护装置100的设计在单个模块单元中提供变阻器晶片152、154、156的压缩性负载。过电压保护装置100在电极122、124与变阻器晶片152、154、156之间提供合适的电互连，同时保持紧凑的形状因数并且提供来自变阻器晶片152、154、156的正确的能量热耗散。

过电压保护装置100的构造为装置提供了安全的失效模式。在使用期间，变阻器晶片152、154、156中的一个或多个可能由于过热而损坏，并且可能在壳体组件121内部产生电弧。壳体组件121可以将损坏(例如，碎片、气体和直接热)包含在过电压保护装置100内，使得过电压保护装置100安全地失效。以这种方式，过电压保护装置100可以防止或减少对毗邻设备(例如，机柜中的开关设备)的任何损坏和对人员的伤害。以这种方式，过电压保护装置100可以增强设备和人员的安全性。

另外，过电压保护装置100响应于变阻器晶片152、154、156中的一个或多个中的寿命终止模式而提供失效安全机构。在变阻器晶片152、154、156发生失效的情况下，故障电流将在对应的线与中性线之间传导。众所周知，变阻器具有固有的标称箝位电压VNOM(有时被称为“击穿电压”或简称“变阻器电压”)，变阻器在所述电压下开始传导电流。在VNOM下方，变阻器不会通过电流。在VNOM上方，变阻器将传导电流(即，泄漏电流或浪涌电流)。变阻器的VNOM通常被规定为在1mA的直流电流下横跨变阻器的测量电压。

众所周知，变阻器具有三种操作模式。在第一正常模式(如上所述)中，直到标称电压，变阻器实际上是电绝缘体。在第二正常模式(也在上文中讨论)中，当变阻器经受过电压时，变阻器在过电压状况期间暂时并且可逆地变成电导体，并且此后返回到第一模式。在第三模式(所谓的寿命终止模式)中，变阻器被有效耗尽，并且变成永久的、不可逆的电导体。

变阻器还具有固有的箝位电压VC(有时简称为“箝位电压”)。箝位电压VC被定义为当根据标准协议随时间向变阻器施加规定电流时，横跨变阻器测量的最大电压。

在没有过电压状况的情况下，变阻器晶片152、154、156提供高电阻，使得当过电压保护装置100看起来像开路时，没有电流流过过电压保护装置100。也就是说，变阻器通常不通过电流。在过电流浪涌事件(通常为瞬态；例如，雷击)或超过VNOM的过电压状况或事件(通常持续时间长于过电流浪涌事件)的事件中，变阻器晶片的电阻迅速减小，从而允许电流流过过电压保护装置100，并且为电流流创建分流路径以保护相关联电气系统的其它部件。通常，变阻器从这些事件中恢复，而过电压保护装置100没有显著过热。

变阻器具有多个失效模式。失效模式包括：1)变阻器作为短路而失效；和2)变阻器作为线性电阻而失效。变阻器短路或线性电阻的失效可能是由足够量值和持续时间的单个或多个浪涌电流的传导引起，或者由将驱动足够电流穿过变阻器的单个或多个连续过电压事件引起。

短路失效通常表现为延伸穿过变阻器厚度的局部化针孔或穿刺部位(在本文中，“失效部位”)。这个失效部位为低电阻但足够高的两个电极之间的电流流动创建了路径，即使在低故障电流下也能产生欧姆损耗并且导致装置过热。穿过变阻器的足够大的故障电流可以熔化在失效部位的区域中的变阻器并且产生电弧。

作为线性电阻的变阻器失效将导致有限电流通过变阻器传导，这将导致热累积。这种热积累可能导致灾难性的热失控，并且装置温度可能超过规定的最高温度。例如，装置外表面的最高可允许温度可以通过代码或标准来设定，以防止毗邻部件的燃烧。如果泄漏电流在一定时间内没有中断，则过热将最终导致变阻器发生短路失效，如上文所定义的。

在一些情况下，即使变阻器失效是短路，穿过失效变阻器的电流也可能受到电力系统本身的限制(例如，在系统中或在光电(PV)电源应用中的接地电阻，其中故障电流取决于失效时系统的发电能力)，从而导致温度的逐步积累。例如，存在下述情况，其中由于电力系统失效导致过电压状况在时间上延长，流经变阻器的泄漏电流受限。这些状况可能导致装置中的温度积累，例如当变阻器作为线性电阻已经失效时，并且可能导致变阻器作为线性电阻或作为短路失效，如上文所描述的。

如上文所讨论，在一些情况下，过电压保护装置100可以采取“寿命终止”模式，其中变阻器晶片152、154、156全部或部分地耗尽(即，处于“寿命终止”状态)，从而导致寿命终止失效。当变阻器达到其寿命终止时，过电压保护装置100将变成具有非常低但非零欧姆电阻的基本上短路。因此，在寿命终止的状况下，故障电流将连续流过变阻器，即使没有过电压情况。在这种情况下，可熔化构件132可以作为失效安全机构操作，所述失效安全机构绕过失效变阻器，并且以美国专利第7,433,169号中所描述的方式在过电压保护装置100的端子之间产生永久的低欧姆短路，所述专利的公开内容通过引用并入本文中。

可熔化构件132适于并且被配置成作为热断路器操作，以电短路施加到变阻器晶片152、154、156周围的相关联过电压保护装置100的电流，以防止或减少变阻器中的热产生。以这种方式，可熔化构件132可以作为开关操作，以绕过变阻器晶片152、154、156，并且防止过热和灾难性失效，如上文所描述的。如本文中所使用的，一旦出现导致失效保护系统如所描述那样操作以使电极122A、124A短路所需的状况，失效安全系统就被“触发”。

当加热到阈值温度时，可熔化构件132将流动以桥接并且电连接电极122A、124A。可熔化构件132由此重新引导施加到过电压保护装置100的电流，以绕过变阻器152、154、156，使得变阻器的电流感应加热停止。因此，可熔化构件132可以用于防止或抑制热失控(由变阻器152、154、156引起或在变阻器152、154、156中产生)，而无需中断穿过过电压保护装置100的电流。

更具体地，可熔化构件132最初具有如图5中所示的第一配置，使得除了通过头部124A之外，它不电联接电极124和壳体122。一旦发生热累积事件，电极124由此被加热。可熔化构件132也直接被加热和/或通过电极124加热。在正常操作期间，可熔化构件132中的温度保持低于其熔点，使得可熔化构件132保持固体形式。然而，当可熔化构件132的温度超过其熔点时，可熔化构件132熔化(全部或部分)并且通过重力流入到不同于第一配置的第二配置中。可熔化构件132将电极124桥接或短路到壳体122，以绕过变阻器晶片152、154、156。也就是说，通过可熔化构件132提供了从电极124的表面到壳体侧壁122B的表面的一个或多个新的直接流动路径。根据一些实施例，这些流动路径中的至少一些不包括变阻器晶片152、154、156。

根据一些实施例，过电压保护装置100被调适使得当可熔化构件132被触发以使过电压保护装置100短路时，过电压保护装置100的电导率至少与连接到装置的馈电电缆和引出电缆的电导率一样大。

除了上文所提及的优点之外，根据本发明的实施例的电气保护装置还可以提供许多优点。装置可以形成如此以具有相对紧凑的形状因数。装置可以是可改装的，以代替不具有本文中所描述的电路的类似类型的电涌保护装置。具体地，本装置可以具有与这样的先前装置相同的长度尺寸。

当存在针对在相同的标称操作电压下具有较低剩余电压的SPD的需要时，存在一些应用。例如，这是针对一些额定为-48Vdc系统的电信应用的要求。如果使用包括变阻器(例如，MOV)的SPD，则这样的变阻器的典型连续操作电压Vc是100Vdc。然而，这个SPD将具有大约300伏或更高的剩余电压Vres。使用具有远低于这些电平(即，接近于100伏)的剩余电压Vres的SPD将有利于更好地保护设备。

通常，为了降低SPD的剩余电压，制造商已经使用了变阻器以外的技术，例如，SAD或TVS二极管。对于相同的连续操作电压Vc，这些元件具有比MOV低得多的剩余电压。例如，用于这个应用的TVS二极管可能具有100V的剩余电压。但是SAD和TVS二极管通常不能传导这样的应用中预期的显著能量的浪涌电流。出于那个原因，许多制造商已经并联使用多个SAD和/或TVS二极管，以在浪涌电流传导期间获得更高的能量耐受能力。

在过电压保护装置100中，变阻器晶片152、154、156电并联连接，以降低过电压保护装置100的剩余电压Vres。

在一些实施例中，每个变阻器晶片152、154、156被额定为60Vdc(连续工作电压；Vc)而不是这个应用中典型的100Vdc。此外，并联使用三个变阻器进一步降低了给定浪涌电流下SPD的箝位电压(与使用单个变阻器相比)，因为每个变阻器将仅传导总浪涌电流的一小部分(箝位电压取决于所传导的浪涌电流，所传导的浪涌电流越高，变阻器的箝位电压越高)。对于电信应用(标称电压-48Vdc)，在5kA的浪涌电流下，所得剩余电压大约是140V。

在一些实施例中，过电压保护装置100用于DC电力系统中，并且在一些实施例中，用于-48vdc电信设备的保护电路中。设备100还可以用于交流或其它直流应用中。

变阻器晶片152、154、156的额定电压的降低使得变阻器晶片152、154、156更薄并且对显著的温度变化敏感。因此，如何将变阻器晶片堆叠保持在适当位置并且组装在过电压保护装置100内部是重要的。

如上文所提及，在一些实施例中，变阻器晶片152、154、156可以使用焊料固定到互连构件160、162和/或彼此固定。然而，焊料的使用可能会损坏变阻器晶片。熔化焊接材料所需的高温和变阻器材料与焊料之间的不同弹性系数可能会在变阻器中产生微裂纹。通过电极加载在变阻器晶片上也可能导致变阻器晶片中的裂纹。这些裂纹以及侵入裂纹中的焊剂或杂质可能逐渐损坏变阻器，并且由此降低变阻器的性能。侵入的焊剂可能在裂纹边缘处产生增加泄漏电流的导电路径，这可能导致变阻器晶片失效。在相对薄(例如，小于大约2mm)的陶瓷变阻器晶片的情况下，这些风险尤其令人担忧。

此外，为了避免由于变阻器与互连构件160、162之间的不同热膨胀而对变阻器造成机械损坏，互连构件接触部分的形状应该是圆形的，中间有一个孔。孔可以降低变阻器表面上方电流的均匀分配。孔还可以降低变阻器在浪涌电流期间的能量承受能力，因为它将显著地降低变阻器的热收缩能力，并且增加形成变阻器组件150的堆叠的接触电阻和总体强度。

如上文所讨论，在一些实施例中，变阻器晶片152、154、156并联堆叠，并且通过粘合剂164在其边缘152E、154E、156E上粘合或粘附在一起。在边缘152E、154E、156E上的结合剂164为变阻器组件150和装置100的生产中的运输和操纵提供了紧凑的组件。

此外，粘合剂164纠正了上文所提及的问题。粘合剂将变阻器晶片152、154、156和互连构件160、162保持在一起以进行处理，而不引入可能导致微裂纹和引入导电路径的热、焊料和焊剂，如上文所讨论。

粘合剂准许使用互连构件的接触部分160U、160L、162U、162L，所述互连构件在其周边内不包括孔(即，全面电极)。因此，变阻器组件150在浪涌事件期间的能量耐受能力增加。变阻器晶片152、154、156与互连构件160、162之间的接触电阻减小。由此，电涌期间的预期剩余电压降低。

根据一些实施例，每个电极接触表面与变阻器接触表面之间的接合面积各自是至少一平方英寸。

根据一些实施例，受偏压的电极(例如，电极122和124)根据变阻器的表面积沿着轴线C-C向变阻器施加在从2000lbf到26000lbf范围内的负载。

根据一些实施例，壳体(例如，壳体122)和电极(例如，电极124)的组合热质量基本上大于在它们之间捕获的变阻器中的每个的热质量。壳体和电极的热质量与变阻器的热质量之间的比率越大，变阻器在暴露于浪涌电流和TOV事件期间保存得越好，并且因此SPD的寿命越长。如本文中所使用，术语“热质量”意指物体的一种或多种材料的比热乘以物体的一种或多种材料的质量的乘积。也就是说，热质量是将一克物体的一种或多种材料提高一摄氏度所需的能量乘以物体中一种或多种材料的质量。根据一些实施例，电极头和电极壁中的至少一个的热质量基本上大于变阻器的热质量。根据一些实施例，电极头和电极壁中的至少一个的热质量是变阻器的热质量的至少两倍，并且根据一些实施例，是变阻器的热质量的至少十倍。根据一些实施例，头部和电极壁的组合热质量基本上大于变阻器的热质量，根据一些实施例，是变阻器的热质量的至少两倍，并且根据一些实施例，是变阻器的热质量的至少十倍。

如上文所讨论，弹簧垫圈128E是贝氏垫圈或波形垫圈。贝氏或波形垫圈可以用于施加相对高的负载，而不需要很大的轴向空间。然而，除了贝氏垫圈或波形垫圈之外或代替贝氏垫圈或波形垫圈，也可以使用其它类型的偏压装置。合适的替代性偏压装置包括一个或多个线圈弹簧或螺旋垫圈。

变阻器组件150包括三个变阻器和两个互连构件。然而，根据进一步的实施例的变阻器组件可以包括如所描述堆叠并且电并联连接的三个以上的变阻器。例如，变阻器组件可以包括被堆叠并且通过三个互连构件电并联连接的五个变阻器。

参考图10到图12，其中示出了根据本发明的进一步实施例的模块化过电压保护单元200。过电压保护单元200可以以与过电压保护装置100相同的方式和出于与过电压保护装置100相同的目的使用，只不过单元200通常在操作上等同于两个过电压保护装置100。

过电压保护单元200包括壳体组件221和两个SPD内部组件组或子模块211、212。

壳体组件221包括第一电极或壳体223和盖子226。壳体223是整体的，并且在一些实施例中是单体的。壳体223由导电金属(例如，铝)形成。壳体223包括两个一体的壳体电极壁部分222。每个壳体电极部分222包括分别对应于装置100的特征122A、122B、122C和122D的电极壁222A、侧壁222B、空腔222C和顶部开口222D。

盖子226基本上是板形的，并且具有与壳体223的轮廓相匹配的轮廓。盖子226具有两个电极开口226A和限定在其中的六个紧固孔226B。根据一些实施例，盖子226由导电材料形成。在一些实施例中，盖子226由金属形成，并且在一些实施例中，由铝形成。

SPD子模块211、212各自包括分别对应于装置100的部件124、132、134和150的电极224、可熔化构件232、绝缘体套筒234和变阻器组件250。每个SPD子模块211、212进一步包括弹性绝缘体构件239。

绝缘体构件239由电绝缘的有回弹力的弹性材料形成。根据一些实施例，绝缘体构件239由具有在从大约60肖氏A到85肖氏A范围内的硬度的材料形成。根据一些实施例，绝缘体构件239由橡胶形成。根据一些实施例，绝缘体构件239由硅橡胶形成。用于绝缘体构件239的合适材料可以包括可从信越化学有限公司(Shin-EtsuChemicalCo.Ltd)获得的KE-5612G或KE-5606硅橡胶。

每个SPD子模块211、212设置在壳体空腔222C中的相应一个中。盖子226通过螺栓5固定到壳体223。盖子226捕获SPD子模块211、212并且轴向地压缩其弹性绝缘体239。SPD子模块211和其电极壁222A形成对应于装置100的第一过电压保护装置。SPD子模块212和其电极壁222A形成对应于装置100的第二过电压保护装置。

当组装好单元200时，每个SPD子模块211、212的绝缘体构件239被捕获在盖子226与电极上部凸缘224D之间，并且被轴向地压缩(即，轴向地加载并且从其松弛状态弹性地变形)，使得绝缘体构件239用作偏压构件，并且向电极224和盖子226施加持续的轴向压力或负载。绝缘体构件239还用于将壳体223与电极224电绝缘。所压缩的绝缘体构件239还可以形成密封，以约束或防止过电压事件副产物(例如，来自变阻器组件250的变阻器晶片的热气和碎片)通过对应的壳体开口222D逸出单元200。

变阻器组件250可以在单元200中提供与如上文所讨论的变阻器组件150相同的优点。每个变阻器组件250包括对应于粘合剂164、164’的粘合剂264。

在其它实施例中，SPD子模块211、212可以采用如关于装置100所描述的单独的弹簧和绝缘环。

在进一步的实施例中，每个SPD子模块211、212可以包括单个变阻器晶片来代替多个变阻器的变阻器组件250。

参照图13，其中示出了根据本发明的进一步实施例的模块化过电压保护装置300。过电压保护单元300可以以与过电压保护装置100相同的方式和出于与过电压保护装置100相同的目的使用。过电压保护装置300以与过电压保护装置100相同的方式构造，除了如下之外。

过电压保护装置300包括对应于变阻器组件150的变阻器组件350，除了如下之外。变阻器组件350包括五个变阻器晶片352、353、354、355、356、四个互连构件360、362、366、368和结合剂364。变阻器晶片352、353、354、355、356对应于变阻器晶片152、154、156并且以与变阻器晶片152、154、156相同的方式形成。互连构件360、362、366、368对应于互连构件160、162并且以与互连构件160、162相同的方式形成。结合剂364对应于结合剂164、164’。五个变阻器晶片352、353、354、355、356轴向地堆叠、结合并且通过四个互连构件360、362、366、368电并联连接。

参照图14，其中示出了根据本发明的进一步实施例的模块化过电压保护单元400。过电压保护装置400可以以与过电压保护装置100相同的方式和出于与过电压保护装置100相同的目的使用。过电压保护装置400以与过电压保护装置100相同的方式构造，除了如下之外。

过电压保护装置400包括对应于变阻器组件150的变阻器组件450，除了如下之外。变阻器组件450包括两个变阻器晶片452、454、两个互连构件460、462、结合剂464和电绝缘体晶片457。变阻器晶片452、454对应于变阻器晶片152、154、156并且以与变阻器晶片152、154、156相同的方式形成。互连构件460、462对应于互连构件160、162并且以与互连构件160、162相同的方式形成。结合剂464对应于结合剂164、164’。绝缘体晶片457由电绝缘材料形成。合适的电绝缘材料可以包括可从SABIC获得的ULTEM^TM1000热塑性塑料、云母或聚酯薄膜，例如，可从意大利康维明(Coveme)获得的DYFILM^TM聚酯薄膜。两个变阻器晶片452、454轴向地堆叠并且通过两个互连构件460、462电并联连接。绝缘体晶片457轴向地插置或堆叠在变阻器晶片452、454之间，以防止变阻器晶片452、454的相对面之间短路。

参照图15和图16，其中示出了根据本发明的进一步实施例的模块化过电压保护装置500。过电压保护装置500可以以与过电压保护装置100相同的方式和出于与过电压保护装置100相同的目的使用。

过电压保护装置500被构造为单元200(图12)的一半。装置500包括是壳体组件221的一半的壳体组件521和对应于子模块212的SPD内部组件组512。

参考图17到图20，其中示出了根据本发明的进一步实施例的模块化过电压保护装置600。过电压保护装置600可以以与过电压保护装置100相同的方式和出于与过电压保护装置100相同的目的使用。过电压保护装置600以与过电压保护装置100相同的方式构造，除了如下之外。

过电压保护装置600包括对应于变阻器组件150的变阻器组件650，除了如下之外。变阻器组件650包括三个变阻器晶片652、654、656和两个互连构件660、662。变阻器晶片652、654、656对应于变阻器晶片152、154、156并且以与变阻器晶片152、154、156相同的方式形成。互连构件660、662对应于互连构件160、162并且以与互连构件160、162相同的方式形成。变阻器晶片652、654、656轴向地堆叠并且通过互连构件660、662电并联连接，如以上针对装置100所讨论的。

过电压保护装置600进一步包括电绝缘空隙填充构件或套筒636。套筒636包括侧壁636A，侧壁636A限定了贯穿通道636B。通道636从上部开口636C延伸到下部开口636D。在侧壁636A的内表面636F中限定了一对横向相对的轴向延伸的接纳器通道636E。

套筒636是管状的，并且具有大体圆柱形的外表面636G。根据一些实施例，套筒636由高温聚合物形成，并且在一些实施例中，由高温热塑性塑料形成。在一些实施例中，套筒636由聚醚酰亚胺(PEI)形成，例如可从沙特阿拉伯SABIC获得的ULTEM^TM热塑性塑料。在一些实施例中，套筒636由非增强聚醚酰亚胺形成。在一些实施例中，套筒636由电绝缘陶瓷形成。

根据一些实施例，套筒636由具有大于可熔化构件632的熔点的熔点的材料形成。根据一些实施例，套筒636由具有在从大约120℃到200℃范围内的熔点的材料形成。

根据一些实施例，套筒636材料可以承受每毫米厚度25kv的电压。

根据一些实施例，套筒侧壁636A具有至少2mm、在一些实施例中至少4mm并且在一些实施例中在从大约2mm到15mm的范围内的标称厚度T5(图20)。根据一些实施例，每个接纳器通道636E的深度D5是至少1mm，并且在一些实施例中，在从大约1mm到12mm的范围内。

过电压保护装置600的壳体组件621的内腔室627包括第一子腔室627A和与第一子腔室627A流体连通的第二子腔室627B。在熔化可熔化构件632之前，电极624和可熔化构件632占据第一子腔室627A。变阻器组件650占据第二子腔室627B的中心体积，使得第二子腔室627B的剩余管状空隙或间隙空间627c保持未被变阻器组件650占据。间隙空间627C是在变阻器组件650与壳体电极622的侧壁622B的内表面622H之间径向延伸的空间或体积。空隙填充套筒636占据间隙空间627C并且围绕变阻器组件650。

接纳凹部或通道636E和互连构件660、662的桥接部分660B、662B的尺寸相对较大，并且被组装成使得桥接部分660B、662B中的每个被接纳并且安置在接纳器通道636E中的相应一个中。套筒内表面636F的其余部分大体上适形于变阻器晶片652、654、654的周边边缘轮廓。

因此，从图17和图19可以了解，内表面636F大体上适形于变阻器组件650的外形状。圆柱形外表面636G大体上适形于壳体电极622的内壁表面622H的内形状。在一些实施例中，内表面636F与变阻器晶片652、654、654之间的间隙小于2mm。在一些实施例中，外表面636G与内壁表面622H之间的间隙小于0.5mm

变阻器晶片652、654、656相对较厚，使得变阻器组件650的总体高度例如比变阻器组件150的总体高度增加了。因此，围绕变阻器组件650的间隙空隙或体积627C相对较大。另外，桥接部分660B、662B径向地向外突出超过变阻器652、654、656的周边边缘。因为壳体电极622的内表面622H是圆柱形的，所以桥接部分660B、662B与内表面622B之间所需的间距在变阻器组件650的其余部分周围产生相对大的间隙。

在没有空隙填充套筒636的情况下，这个大间隙空间627C可能损害可熔化构件632和失效安全机构602的预期操作。特别地，取决于当熔化可熔化构件632时装置600的定向，熔化的可熔化构件632的体积可能不足以桥接电极622和624以使电极622、624短路。间隔套筒636占据间隙空间627C，并且由此减少或限制当可熔化构件632变得熔化时可流入间隙空间627C中的可熔化构件632的量或体积。以这种方式，空隙填充构件636确保在第一子腔室627A中保持更多并且可靠地足够量的熔化的可熔化构件，以与两个电极622、624同时接触。

在一些实施例中，空隙填充套筒636占据间隙空间627C的至少50％，并且在一些实施例中至少80％。在一些实施例中，空隙填充套筒636具有在从大约100mm³到100,000mm³的范围内的体积，并且在一些实施例中，体积是大约21,000mm³。

虽然所图示的空隙填充构件636被配置成具有限定在其中的轴向延伸的接纳器通道636E的整体管状套筒，但是也可以采用其它配置和构造。例如，可以用不延伸到套筒端部的径向延伸孔替换通道636E。空隙填充构件636可以用两个或多个空隙填充构件替换，所述两个或多个空隙填充构件被配置和布置成以上文所讨论的程度和尺寸占据间隙空间627C。两个或多个空隙填充构件可以轴向地堆叠和/或每个空隙填充构件可以围绕变阻器组件650小于360度。

参照图21，其中示出了根据本发明的进一步实施例的模块化过电压保护装置700。过电压保护装置700可以以与过电压保护装置600相同的方式和出于与过电压保护装置600相同的目的使用。过电压保护装置700以与过电压保护装置600相同的方式构造，除了如下之外。装置700包括对应于变阻器组件650的变阻器组件750和对应于空隙填充构件636的空隙填充构件736。

过电压保护装置700包括对应于弹性绝缘体构件239(图12)的弹性绝缘体构件739。绝缘体构件739被捕获在盖子726与电极上部凸缘724D之间，并且被轴向地压缩(即，轴向地加载并且从其松弛状态弹性地变形)，使得绝缘体构件739用作偏压构件，并且向电极724和盖子726施加持续的轴向压力或负载，如关于单元200所描述。

应当了解，本文中所公开的各个方面可以以不同的组合使用。例如，对应于弹性绝缘体构件239的弹性绝缘体构件可用于代替过电压保护装置100、300、400、600的弹簧和端部绝缘体构件(例如，绝缘体构件128C)。每个装置100到700的变阻器组件可以用装置100到700中的另一个的变阻器组件替换(例如，可以使用五晶片变阻器组件350或两晶片变阻器组件450来代替装置600中的变阻器组件650)。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以做出许多更改和修改。因此，必须理解的是，所图示的实施例仅仅是出于示例的目的而阐述的，并且不应该被认为限制如以下权利要求书所定义的本发明。因此，以下权利要求书应理解为不仅包括字面上阐述的元件的组合，还包括用于以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以获得基本上相同的结果的所有等效元件。因此，权利要求书应理解为包括上文具体图示和描述的内容、概念上等效的内容和并入本发明的基本思想的内容。

Claims (29)

1.一种过电压保护装置，包括：

第一电极构件；

第二电极构件；和

变阻器组件，所述变阻器组件包括：

多个变阻器晶片，每个变阻器晶片由变阻器材料形成；和

至少一个导电互连构件，所述至少一个导电互连构件将所述变阻器晶片电并联连接在所述第一电极构件与所述第二电极构件之间；和

结合剂，所述结合剂将所述变阻器组件中的所述变阻器晶片中的至少两个彼此结合；

其中所述变阻器晶片轴向地堆叠在所述第一电极与所述第二电极之间。

2.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，所述结合剂是氰基丙烯酸酯基粘合剂和环氧基粘合剂中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，所述结合剂结合到所述变阻器晶片的周边边缘。

4.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，所述结合剂包括周向间隔开的多个结合剂块，所述结合剂块结合到所述变阻器晶片的周边边缘。

5.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，

所述多个变阻器晶片包括第一变阻器晶片、第二变阻器晶片和第三变阻器晶片；和

所述至少一个互连构件至少包括将所述变阻器晶片电并联连接在所述第一电极构件与所述第二电极构件之间的第一互连构件和第二互连构件。

6.根据权利要求5所述的过电压保护装置，其中，

所述第一互连构件接触并且电连接所述第一电极构件以及所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每一个；并且

所述第二互连构件接触并且电连接所述第二电极构件以及所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每一个。

7.根据权利要求6所述的过电压保护装置，其中，

所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每一个包括相对的平坦接触面；

所述第一互连构件和所述第二互连构件中的每一个包括两个间隔开的平坦的接触部分和在所述接触部分之间延伸并且电连接所述接触部分的桥接部分；并且

所述接触部分接合所述平坦接触面。

8.根据权利要求7所述的过电压保护装置，其中，每个接触部分接合由此接合的每个接触面的至少40％。

9.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，每个变阻器晶片具有在从大约0.5mm到15mm的范围内的厚度。

10.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，每个变阻器晶片包括形成所述变阻器晶片的相对的平坦接触面的金属化层。

11.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，

所述第一电极包括壳体电极，所述壳体电极包括共同限定空腔的端壁和一体侧壁；

所述第二电极延伸到所述空腔中；并且

所述变阻器组件设置在所述空腔中。

12.根据权利要求11所述的过电压保护装置，其中，所述壳体电极由金属整体形成。

13.根据权利要求12所述的过电压保护装置，包括向所述变阻器组件施加轴向压缩性负载的偏压装置。

14.根据权利要求1所述的过电压保护装置，包括向所述变阻器组件施加轴向压缩性负载的偏压装置。

15.根据权利要求1所述的过电压保护装置，包括导电的可熔化构件，其中所述可熔化构件响应于所述过电压保护装置中的热而熔化并且形成横跨所述第一电极构件和所述第二电极构件的电短路路径。

16.根据权利要求15所述的过电压保护装置，包括围绕所述变阻器组件的至少一部分的空隙填充构件，其中所述空隙填充构件由电绝缘材料形成。

17.根据权利要求16所述的过电压保护装置，其中，所述空隙填充构件包括接纳凹部，并且所述互连构件的一部分向外延伸超过所述多个变阻器且设置在所述接纳凹部中。

18.根据权利要求16所述的过电压保护装置，其中：

所述第一电极包括壳体电极，所述壳体电极包括共同限定腔室的端壁和一体侧壁；

所述腔室包括第一子腔室和与所述第一子腔室流体连通的第二子腔室；

所述可熔化构件设置在所述第一子腔室中；

所述变阻器组件设置在所述第二子腔室中，并且间隙空间被限定在所述变阻器组件与所述侧壁之间；并且

所述空隙填充构件设置在所述间隙空间中以限制所述可熔化构件流入到所述间隙空间中。

19.根据权利要求16所述的过电压保护装置，其中，所述空隙填充构件占据所述间隙空间的至少50％。

20.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中，所述变阻器组件包括轴向插置并且堆叠在所述多个变阻器晶片中的至少两个之间的绝缘体晶片。

21.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其中：

所述第一电极是整体的壳体电极，所述壳体电极包括第一空腔和第二空腔；

所述变阻器组件设置在所述第一空腔中；并且

所述过电压保护装置进一步包括：

第二变阻器组件，所述第二变阻器组件设置在所述第二空腔中，其中所述第二变阻器组件包括：

多个变阻器晶片，每个变阻器晶片由变阻器材料形成；和

至少一个导电互连构件；以及

第三电极构件，

其中所述第二变阻器组件的所述变阻器晶片轴向地堆叠在所述壳体电极与所述第三电极之间；和

其中所述第二变阻器组件的所述至少一个互连构件将所述第二变阻器组件的所述变阻器晶片电并联连接在所述壳体电极与所述第三电极之间。

22.一种变阻器组件，包括：

多个变阻器晶片，每个变阻器晶片由变阻器材料形成；

至少一个导电互连构件，所述至少一个导电互连构件将所述变阻器晶片电并联连接；和

结合剂，所述结合剂将所述变阻器组件中的所述变阻器晶片中的至少两个彼此结合；

其中所述变阻器晶片和所述至少一个互连构件轴向地堆叠。

23.根据权利要求22所述的变阻器组件，其中，所述结合剂是氰基丙烯酸酯基粘合剂和环氧基粘合剂中的至少一种。

24.根据权利要求22所述的变阻器组件，其中，所述结合剂结合到所述变阻器晶片的周边边缘。

25.根据权利要求22所述的变阻器组件，其中，所述结合剂包括周向间隔开的多个结合剂块，所述结合剂块结合到所述变阻器晶片的所述周边边缘。

26.一种用于形成变阻器组件的方法，所述方法包括：

提供多个变阻器晶片，每一个变阻器晶片均由变阻器材料形成；

提供至少一个导电互连构件；

轴向地堆叠所述变阻器晶片和所述至少一个互连构件，使得所述至少一个互连构件将所述变阻器晶片电并联连接；此后

向所述变阻器晶片和所述至少一个互连构件施加轴向负载；并且此后

使用结合剂将所述变阻器组件中的所述变阻器晶片中的至少两个彼此结合。

27.一种过电压保护装置，包括：

第一电极构件；

第二电极构件；

变阻器，所述变阻器插置在所述第一电极与所述第二电极之间并且电连接到所述第一电极和所述第二电极中的每一个；

导电的可熔化构件，其中所述可熔化构件响应于所述过电压保护装置中的热而熔化并且形成横跨所述第一电极构件和所述第二电极构件的电短路路径；和

空隙填充构件，所述空隙填充构件围绕所述变阻器的至少一部分，其中所述空隙填充构件由电绝缘材料形成；

其中：

所述过电压保护装置包括限定腔室的侧壁，所述腔室包括第一子腔室和与所述第一子腔室流体连通的第二子腔室；

所述可熔化构件设置在所述第一子腔室中；

所述变阻器组件设置在所述第二子腔室中，并且间隙空间在所述第二子腔室中被限定在所述变阻器组件与所述侧壁之间；并且

所述空隙填充构件设置在所述间隙空间中以限制所述可熔化构件流入到所述间隙空间中。

28.根据权利要求27所述的过电压保护装置，其中，所述空隙填充构件占据所述间隙空间的至少50％。

29.一种过电压保护装置，包括：

第一电极构件；

第二电极构件；和

变阻器组件，包括：

每一个均由变阻器材料形成的第一变阻器晶片、第二变阻器晶片和第三变阻器晶片；和

至少第一导电互连构件和第二导电互连构件，所述第一导电互连构件和所述第二导电互连构件将所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片电并联连接在所述第一电极构件与所述第二电极构件之间；

其中所述变阻器晶片轴向地堆叠在所述第一电极与所述第二电极之间；并且

其中：

所述第一互连构件接触并且电连接所述第一电极构件以及所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每一个；并且

所述第二互连构件接触并且电连接所述第二电极构件以及所述第一变阻器晶片、所述第二变阻器晶片和所述第三变阻器晶片中的每一个。