CN116130315A - 一种保护元件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电路保护技术领域，具体涉及一种保护元件，等效于两个独立的保护元件并联的大电流保护元件，所述的大电流保护元件视为背面回路模块和正面回路模块层叠于陶瓷基板的正反面，通过支撑导体端子接入外部电路。本发明在陶瓷基板的正面或背面都设有保险丝组件，可现实双路径通流，支撑导体端子即是外部电流或电压的接入端口，同时也起到支撑陶瓷基板目的。最终，大电流的保护元件通过设有两个并联分布的保险丝组件，实现大电流载流能力。摒弃了寻找熔点范围合适且电阻率较低的保险丝组件新材料方案，同时避免一味的增大增厚保险丝组件将会给将为产品快速熔断增大风险。
Description
技术领域
本发明属于电路保护技术领域，具体涉及一种具有过流、过压双重保护的保护元件，其主要特点是具有双电流熔断路径，大电流载流能力。
背景技术
锂离子充电电池在手机、笔记本、平板电脑、数码相机等便携式移动设备中已得到大量地应用，并且正在越来越多地应用到储能电池、两轮车电池、无人机、扫地机等诸多新的领域中。其具有诸多优越性能的同时，却依然有着一旦充放电管理不当，就可能会起火燃烧、爆炸等缺点，特别是在电动车上应用时，因为其使用锂离子电池的数量或体积非常巨大，一旦发生燃烧或爆炸，甚至会有危及到生命的危险。
目前主要的保护元件有PPTC、SMD Fuse、Breaker、自控型保护元件、IC加MOS等元件作为二级保护元件，自控型保护元件作为一种既能防止过流、又能防止过压的更安全的保护元件，得到越多的发展与重视。目前市场上广泛使用的自控型保护元件多为小电流（12A、15A），如应用于手机、平板电脑等便携式移动设备中，而大电流应用领域如储能、电动自行车、无人机、扫地机、电动平衡车，因没有大电流规格的自控型保护元件，常常采用多颗并联的形式使用。
对于市场应用而言，多颗小电流自控型保护元件并联虽能满足部分大电流终端设备应用场景（如60A左右的两轮车），但较难满足超大电流应用领域，如200A及以上的储能领域。同时多颗并联将造成设计板面大，设计难度高，对元件性能一致性的担忧。因此，市场迫切需要一种大电流的自控型保护元件。
常规设计大电流的自控型保护元件的方式是增大产品尺寸。而同等尺寸下，要么采用更低电阻率的导体材料；要么通过采用更大更厚的保险丝组件，使得产品的内阻更低。首先，因产品使用的需求，产品既要满足高于260℃以上耐热性安装需求，同时又希望产品触发保护时快速熔断，保险丝组件具有尽可能低的熔点。此时保险丝组件的熔点需要260℃~320℃，但处于该温度范围的保险丝组件电阻率较高，很难需找到熔点范围内且电阻率较低的保险丝组件。因此，采用更大更厚的保险丝组件是较为可行方案，但一味的增大增厚保险丝组件将会给将为产品快速熔断增大风险。
因此，有必要设计一种全新的产品方案，开发出满足应用于大电流的自控型保护元件。
发明内容
本发明的目的是提供一种保护元件，其具有过流、过压双重保护功能，具有大电流电气参数规格，以满足使用于大电流终端领域。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种保护元件，包括：
陶瓷基板，可设有若干堵孔和通孔；
发热体，设置于陶瓷基板上，不局限于陶瓷基板正面或背面，甚至可在同时设置；
绝缘层，层叠在陶瓷基板并覆盖发热体；
上电极，分为正面上电极和背面上电极，分别层叠在陶瓷基板的正面和背面；
中间电极，分为正面中间电极和背面中间电极，可与同一面的发热体引出电极连接；
保险丝组件，同时层叠于陶瓷基板的正面和背面，分为正面保险丝组件和背面保险丝组件，在电气上同时进行通流的双电流路径，在发热体流过电流或电压后，能够同时熔断并形成来路；
正面保险丝组件和背面保险丝组件都跨接有上电极和中间电极（焊接方式是高温焊、回流焊等），在其之上都设置有助熔断剂。此外，用外壳罩上，并与陶瓷基板形成一定的空间，包括且不限于保险丝组件在该空间内；
紧接着，背面上电极连接的外部电极，设在外部电极上一个或多个支撑导体端子，所有的支撑导体端子共面，且高出或不低于背面外壳的高度，这些支撑导体端子为金属凸点或金属柱子，可通过焊料与外部电极实现焊接；
通过这些支撑导体端子，外部电流可从一侧的外部电极上的支撑导体端子流入后，同时流经正面保险丝组件和背面保险丝组件，最终从陶瓷基板的另一侧的外部电极上的支撑导体端子流出；外部电压或电流可从第三端口（支撑导体端子）进入，发热体工作，同时熔断正面保险丝组件和背面保险丝组件，实现切断电路功能。
本发明另辟蹊径，从产品结构化入手，在一颗陶瓷基板上具有了双电流路径，实现了大电流应用需求。
本发明的大电流保护元件，在陶瓷基板的正面或背面都设有保险丝组件，可现实双路径通流，支撑导体端子即是外部电流或电压的接入端口，同时也起到支撑陶瓷基板目的。最终，大电流保护元件通过设有两个并联分布的保险丝组件，实现大电流载流能力。摒弃了寻找熔点范围合适且电阻率较低的保险丝组件新材料方案，同时避免一味的增大增厚保险丝组件将会给将为产品快速熔断增大风险。
附图说明
图1是本发明的大电流保护元件的剖面结构示意图；
图2是本发明的大电流保护元件的原理示意图；
图3是本发明的省略盖体部件的陶瓷基板背面回路模块和省略盖体部件的陶瓷基板正面回路模块的平面示意图，其中图3-1为背面回路模块示意图；图3-2为正面回路模块示意图；
图4是本发明的大电流保护元件的其他变形例的原理示意图；
图5是本发明的大电流保护元件的其他变形例的剖面结构示意图；
图6是本发明的省略盖体部件的陶瓷基板背面回路模块和省略盖体部件的陶瓷基板正面回路模块的其他变形例的平面示意图，其中图6-1为背面回路模块示意图，图6-2为正面回路模块示意图；
图7是本发明的大电流保护元件的其他变形例的剖面结构示意图；
图8是本发明的省略盖体部件的陶瓷基板背面回路模块和省略盖体部件的陶瓷基板正面回路模块的其他变形例的平面示意图，其中图8-1背面回路模块示意图，图8-2正面回路模块示意图；
其中，图示标记说明如下：
000——大电流保护元件；
100——陶瓷基板背面回路模块；
200——陶瓷基板正面回路模块；
101——陶瓷基板；
102——堵孔导体；
103a——外部电极，103b——背面上电极；
104a——引入电极a，104b——引入电极b；
105——发热体；106——绝缘层；
107——中间电极；108——焊料；
109——背面保险丝组件；110——助熔断剂；
111——阻挡线；112——背面盖体；
113——支撑导体端子；114——通孔；
201——正面上电极；202——正面保险丝组件；
203——正面盖体；204——粘合剂。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的大电流保护元件进行详细描述并说明。此外，本发明并不仅限于以下的实施方式，在不脱离本发明的要点的范围内显然可以进行各种变更。另外，附图是示意性的，各尺寸的比例等有不同于现实的情况。具体的尺寸等应参考以下的说明进行判断。另外，显然即便附图相互之间也存在彼此间位置、尺寸、比例或关系不同的情况。
本发明大电流保护元件的实现方式存在多种，实施例如下：
实施例1
一种保护元件，如图1本发明的大电流保护元件的剖面结构示意图，图2本发明的大电流保护元件的原理示意图和图3是本发明的省略盖体部件的陶瓷基板背面回路模块和省略盖体部件的陶瓷基板正面回路模块的平面示意图，其中图3-1为背面回路模块示意图；图3-2为正面回路模块示意图：
本发明一种保护元件等效于两个独立的保护元件并联的大电流保护元件000，同时图1所示，所述的大电流保护元件000可视为图3-1中的背面回路模块100和图3-2中正面回路模块200层叠于陶瓷基板的正反面，通过支撑导体端子113接入外部电路。
如图1和图3-1所示，陶瓷基板背面回路模块100具备：设有若干堵孔导体102和通孔114的陶瓷基板101；层叠在陶瓷基板101并覆盖绝缘层106的发热体105；形成在陶瓷基板101的两端的背面上电极103b；形成在陶瓷基板101上作为发热体105电流引入引出的引入电极a104a和引入电极b104b；在绝缘层106上与发热体105重叠的方式层叠的发热体引出电极—中间电极107；背面保险丝组件109通过焊料108跨接焊接在两端的背面上电极103b与发热体引出电极—中间电极107之上，此时阻挡线111起限位作用；助熔断剂110添加在背面保险丝组件109中心之上；背面盖体部件112通过粘合剂204粘合陶瓷基板101，罩护背面保险丝组件109等零部件，同时确保内部足够的空间；背面上电极113b连接外部电极103a，所述外部电极113a和引入电极a104a设有一个或多个支撑导体端子113，所有的支撑导体端子113共面，且高出或不低于背面盖体部件112的高度，其作为外部电路的接入端子；
如图1和图3-2所示，陶瓷基板正面回路模块200结构与陶瓷基板背面回路模块100类似，具备：设有若干堵孔导体102和通孔114陶瓷基板101；层叠在陶瓷基板101并覆盖绝缘层106的发热体105；形成在陶瓷基板101的两端的正面上电极201；形成在陶瓷基板101上作为发热体105电流引入引出的引入电极a104a和引入电极b104b；在绝缘层106上与发热体105重叠的方式层叠的发热体引出电极—中间电极107；正面保险丝组件202通过焊料108跨接焊接在两端的正面上电极201与发热体引出电极—中间电极107之上，此时阻挡线111起限位作用；助熔断剂110添加在正面保险丝组件109中心之上；正面盖体部件203通过粘合剂204粘合陶瓷基板101，罩护正面保险丝组件202等零部件，同时确保内部足够的空间。
陶瓷基板101可以使用例如氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、氧化锆等具有绝缘性的部件以大致方形状形成。除此之外，陶瓷基板101也可以采用玻璃氧化基板、酚醛基板等的用于印刷布线基板的材料，但需要留意保险丝组件熔断时的温度。
其中陶瓷基板101内设有若干对堵孔（内填充堵孔导体102）或通孔114，其中堵孔导体102可以为主要成为Ag的电阻率较低的导体材料。
引入电极a104a、引入电极b104b、正面上电极201、中间电极107、背面上电极103b和其连接外部电极103a都是是主要成为Ag的电阻率较低导体，均起通流作用。其中：引入电极a104a和引入电极b104b作为发热体105电流引入引出导体功能，引入电极a104a上设有一个或多个支撑导体端子113(P3)；正面上电极201和背面上电极103b和中间电极107都保险丝组件横跨焊接位置；背面上电极113b连接外部电极103a上设有一个或多个支撑导体端子113(P1)和113(P2)。
发热体105是具有欧姆级电阻值且通电时发热的具有导体导电性的部件，例如有W、Mo、Ru、Ag、Pd等构成。通过将这些的合金或组成物、化合物的粉状体与树脂粘合剂等混合，制成膏状后利用丝网印刷技术团形成在陶瓷基板101上，然后高温烧结成型。
绝缘层106是高耐压特性的高绝缘性部件，例如用氧化铝、二氧化硅等玻璃粉末与树脂粘合剂等混合，制成膏状后利用丝网印刷技术团形成。以覆盖发热体105的方式配置绝缘层106。
背面保险丝组件109和正面保险丝组件202因发热体的发热而迅速熔断，是低电阻率且熔点范围合适的导体材料。例如Sn为主要成分的无铅焊料，Sn、Pb、Ag以上这些主要成分的合金高熔点焊料或将低熔点和高熔点（Ag、Cu或以这些为主要成分）通过层叠、包裹方式形成的导体单元。
焊料108与保险丝组件的材料类似，用于横跨焊接保险丝组件。
助熔断剂110添加于保险丝组件之上，可提高保险丝组件熔化时的润湿性以及防止保险丝组件氧化。可以是自由天然松脂、聚合松脂及加氢松脂等至少一种的混合助剂。
支撑导体端子113是金属凸点或金属柱子，通过焊料与外部电极实现焊接，同时支撑陶瓷基板高出或不低于背面盖体部件112，所有端子都共面；可实现支撑导体端子113(P1)和支撑导体端子113(P1)接入外部电路，如图2所示，电流可从一侧的外部电极上的支撑导体端子113(P1)流入后，同时流经背面保险丝组件109和经过堵孔导体102的正面保险丝组件202，最终从陶瓷基板的另一侧的的外部电极上的支撑导体端子113(P1)流出；支撑导体端子113(P3)位于引入电极a104a上，可实现外部电压或电流从支撑导体端子113(P3)进入，通孔114(Q1)作为连接点，陶瓷基板正面和背面的发热体105同时工作，同时熔断背面保险丝组件109和正面保险丝组件202，实现切断电路功能。
实施例2
一种保护元件，与实施例1的区别是正面回路模块中没有发热元件及其发热电路，如图4本发明的大电流保护元件的其他变形例的原理示意图，图5是本发明的大电流保护元件的其他变形例的剖面结构示意图，图6是本发明的省略盖体部件的陶瓷基板背面回路模块和省略盖体部件的陶瓷基板正面回路模块的其他变形例的平面示意图，其中图6-1为背面回路模块示意图，图6-2为正面回路模块示意图所示：
对适用于本发明的背面回路模块和正面回路模块的其他变形例进行说明。在以下说明的中，对于与背面回路模块100和正面回路模块200相同的部件标注相同的标号并省略其细节。
图4是本发明的大电流保护元件的其他变形例的原理示意图。相较于图2，也可以只设置一个发热体，即可以设置在陶瓷基板的背面又可以设置在陶瓷基板的正面，所有又可产生两种变形实施例。
当发热体位于陶瓷基板的背面时，具体实施详见剖面结构示意图5和省略盖体部件的平面示意图6中，此时的陶瓷基板背面回路模块图的其他变形例的平面示意图6-1与图3-1一样；陶瓷基板正面回路模块图的其他变形例的平面示意图6-2与图3-2略有不同。
陶瓷基板正面回路模块200结构，具备：设在若干堵孔导体102和通孔114陶瓷基板101正面；形成在陶瓷基板101的两端的正面上电极201；层叠于陶瓷基板101正面中间位置的中间电极107；正面保险丝组件202通过焊料108跨接焊接在两端的正面上电极201与中间电极107之上，此时阻挡线111起限位作用；助熔断剂110添加在背面保险丝组件109中心之上；正面盖体部件203通过粘合剂204粘合陶瓷基板101，罩护正面保险丝组件202等零部件，同时确保内部足够的空间。
可实现支撑导体端子113(P1)和支撑导体端子113(P1)接入外部电路，如图4所示，电流可从一侧的外部电极上的支撑导体端子113(P1)流入后，同时流经背面保险丝组件109和经过堵孔导体102的正面保险丝组件202，最终从陶瓷基板的另一侧的外部电极上的支撑导体端子113(P1)流出；支撑导体端子113(P3)位于引入电极a104a上，可实现外部电压或电流可支撑导体端子113(P3)进入，使得陶瓷基板背面的发热体105工作，同时熔断背面保险丝组件109和正面保险丝组件202，实现切断电路功能。
实施例3
一种保护元件，与实施例1的区别是背面回路模块中没有发热元件及其发热电路，如图7是本发明的大电流保护元件的其他变形例的剖面结构示意图，图8是本发明的省略盖体部件的陶瓷基板背面回路模块和省略盖体部件的陶瓷基板正面回路模块的其他变形例的平面示意图，其中图8-1背面回路模块示意图，图8-2正面回路模块示意图所示：
本实施例只设置一个发热体，与实施例2不同，发热体设在正面回路模块中。现对设置在陶瓷基板正面的方式进行说明。在以下说明的大电流保护元件中，对于与上述大电流保护元件000相同的部件标注相同的标号并省略其细节。
当发热体位于陶瓷基板101的正面，具体实施详见剖面结构示意图7和省略盖体部件的平面示意图8，此时的陶瓷基板正面回路模块图的其他变形例的平面示意图8-2与图3-2一样；陶瓷基板背面回路模块图的其他变形例的平面示意图8-1与图3-1略有不同。
陶瓷基板背面回路模块100具备：设在有若干堵孔导体102和通孔114陶瓷基板101上；形成在陶瓷基板101的两端的背面上电极103b；形成在陶瓷基板101上的引入电极a104a；层叠于陶瓷基板101背面中间位置的中间电极107；背面保险丝组件109通过焊料108跨接焊接在两端的背面上电极103b与中间电极107之上，此时阻挡线111起限位作用；助熔断剂110添加在背面保险丝组件109中心之上。
可实现支撑导体端子113(P1)和支撑导体端子113(P1)接入外部电路，电流可从一侧的外部电极上的支撑导体端子113(P1)流入后，同时流经背面保险丝组件109和经过堵孔导体102的正面保险丝组件202，最终从陶瓷基板的另一侧的外部电极上的支撑导体端子113(P1)流出；支撑导体端子113(P3)位于104a为引入电极a上，可实现外部电压或电流可支撑导体端子113(P3)进入，经通孔114(Q1)至使得陶瓷基板正面的发热体105工作，同时熔断正面保险丝组件109和正面保险丝组件202，实现切断电路功能。
上述实施例只是为了便于理解而作的一个示例，本行业相关科研人员或工程设计人员通过更改单个或几个步骤，进行微小调整，但原理示意图等同于如图1结构的，均被视为在本专利申请的权利要求书覆盖范围之内。
Claims (7)
1.一种保护元件，包括陶瓷基板和电极，其特征在于，
所述的陶瓷基板设有若干导体堵孔和通孔；
发热体，设置于陶瓷基板正面和/或背面上；
绝缘层，层叠在陶瓷基板并覆盖发热体；
上电极，分为正面上电极和背面上电极，分别层叠在陶瓷基板的正面和背面；
中间电极，分为正面中间电极和背面中间电极，与设在同一面的发热体引出电极连接；
保险丝组件，同时层叠于陶瓷基板的正面和背面，分为正面保险丝组件和背面保险丝组件，在电气上同时进行正面、背面的双电流路径，在发热体流过电流或电压后，能够同时熔断；
正面保险丝组件和背面保险丝组件都跨接有上电极和中间电极，在其之上都设置有助熔断剂；
外壳，分为正面外壳和背面外壳，与陶瓷基板形成一定的空间，包括且不限于保险丝组件在该空间内；
背面上电极连接外部电极，设在外部电极上多个支撑导体端子，所有的支撑导体端子共面，且高出或不低于背面外壳的高度，这些支撑导体端子为金属凸点或金属柱子，通过焊料与外部电极实现焊接；
通过这些支撑导体端子，外部电流从一侧的外部电极上的支撑导体端子流入后，同时流经正面保险丝组件和背面保险丝组件，最终从陶瓷基板的另一侧的外部电极上的支撑导体端子流出；外部电压或电流从第三支撑导体端子端口进入，发热体工作，同时熔断正面保险丝组件和背面保险丝组件，实现切断电路功能。
2.如权利要求1所述的一种保护元件，其特征在于，所述的陶瓷基板正面和背面的保险丝组件，通过陶瓷基板内设有的若干堵孔形成平行并联。
3.如权利要求1所述的一种保护元件，其特征在于，保险丝组件是低电阻率且熔点范围合适的导体材料，包括Sn为主要成分的无铅焊料，Sn、Pb或Ag以为主要成分的合金高熔点焊料或将低熔点金属和高熔点金属Ag、Cu或以这些材料为主要成分通过层叠、包裹方式形成的结构体导体单元。
4.如权利要求1所述的一种保护元件，其特征在于，正面上电极和正面中间电极跨接正面保险丝组件，背面上电极和背面中间电极跨接背面保险丝组件，焊接方式是高温焊或回流焊。
5.如权利要求1至4任一项所述的一种保护元件，其特征在于，等效于两个独立的保护元件并联的大电流保护元件，所述的大电流保护元件视为背面回路模块和正面回路模块层叠于陶瓷基板的正反面，通过支撑导体端子接入外部电路；其中，
陶瓷基板设有若干堵孔导体和通孔；
陶瓷基板背面回路模块具备：层叠在陶瓷基板背面并覆盖绝缘层的发热体；形成在陶瓷基板的两端的背面上电极；形成在陶瓷基板上作为发热体电流引入引出的引入电极a和引入电极b；在绝缘层上与发热体重叠的方式层叠的发热体引出电极—中间电极；背面保险丝组件通过焊料跨接焊接在两端的背面上电极与发热体引出电极—中间电极之上，此时阻挡线起限位作用；助熔断剂添加在背面保险丝组件中心之上；背面盖体部件通过粘合剂粘合在陶瓷基板上，罩护背面包括保险丝组件的各部件，同时确保内部足够的空间；背面上电极连接外部电极，所述外部电极和引入电极a设有三个支撑导体端子，所有的支撑导体端子共面，且高出或不低于背面盖体部件的高度，其作为外部电路的接入端子；
陶瓷基板正面回路模块结构与陶瓷基板背面回路模块类似，具备：层叠在陶瓷基板正面并覆盖绝缘层的发热体；形成在陶瓷基板的两端的正面上电极；形成在陶瓷基板上作为发热体电流引入引出的引入电极a和引入电极b；在绝缘层上与发热体重叠的方式层叠的发热体引出电极—中间电极；正面保险丝组件通过焊料跨接焊接在两端的正面上电极与发热体引出电极—中间电极之上；阻挡线起限位作用；助熔断剂添加在正面保险丝组件中心之上；正面盖体部件通过粘合剂粘合陶瓷基板，罩护正面包括保险丝组件的电器零部件，同时确保内部足够的空间；
电流从一侧的外部电极上的支撑导体端子P1流入后，同时流经背面保险丝组件和经过堵孔导体的正面保险丝组件，最终从陶瓷基板的另一侧的的外部电极上的支撑导体端子P2流出；支撑导体端子P3位于引入电极a上，实现外部电压或电流从支撑导体端子P3进入，通孔114(Q1)作为连接点，陶瓷基板正面和背面的发热体同时工作，同时熔断背面保险丝组件和正面保险丝组件，实现切断电路功能。
6.如权利要求5所述的一种保护元件，其特征在于，在正面回路模块中不设发热体。
7.如权利要求5所述的一种保护元件，其特征在于，在背面回路模块中不设发热体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211684445.7A CN116130315A (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种保护元件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211684445.7A CN116130315A (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种保护元件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116130315A true CN116130315A (zh) | 2023-05-16 |
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ID=86293861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211684445.7A Pending CN116130315A (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种保护元件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116130315A (zh) |
-
2022
- 2022-12-27 CN CN202211684445.7A patent/CN116130315A/zh active Pending
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