CN116546674A - 承受高电压的热保护设备 - Google Patents

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CN116546674A CN202310052395.9A CN202310052395A CN116546674A CN 116546674 A CN116546674 A CN 116546674A CN 202310052395 A CN202310052395 A CN 202310052395A CN 116546674 A CN116546674 A CN 116546674A
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Abstract

一种承受高电压的热保护设备，包括：第一PTC设备，其布置在PTC电路中，并且具有耦合到PTC电路的输入路径的第一输入侧，以及具有耦合到该PTC电路的输出路径的第一输出侧；第二PTC设备，其布置在PTC电路中，并且具有耦合到PTC电路的输入路径的第二输入侧，并且具有耦合到该PTC电路的输出路径的第二输出侧；以及热熔丝，其具有第三输入侧，其经由PTC电路的输出路径耦合到第一PTC设备的第一输出侧和第二PTC设备的第二输出侧。

Description

承受高电压的热保护设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年2月2日提交的标题为“Thermal Protection Device ToWithstand High Voltage”的美国临时专利申请号63/305,901的优先权权益，该申请通过引用全部纳入本文。
技术领域
实施例涉及电阻加热器领域，并且更具体地涉及基于PPTC材料的加热器。
背景技术
汽车和其他装置可以包括被设计为在较宽的温度范围内操作的部件。可在较宽的温度范围内操作的部件的示例包括用于控制汽车中各种部件的电子电路，以及用于为汽车供电的电池。
为了保护各种电气和电子部件和电路，各种已知设备可被部署，包括热保护设备、过电压保护设备以及过电流保护设备。
关于这一点和其他考虑，提供了本公开。
发明内容
在一个实施例中，热保护电路可以包括第一PTC设备，其布置在PTC电路中，并且具有耦合到PTC电路的输入路径的第一输入侧，以及具有耦合到该PTC电路的输出路径的第一输出侧；第二PTC设备，其布置在PTC电路中，并且具有耦合到PTC电路的输入路径的第二输入侧，并且具有耦合到PTC电路的输出路径的第二输出侧；以及热熔丝，其具有第三输入侧，经由PTC电路的输出路径耦合到第一PTC设备的第一输出侧和第二PTC设备的第二输出侧。
在另一实施例中，一种提供热保护的方法可以包括通过保护电路传导电流，该保护电路包括在PTC电路内以彼此电气并联的方式布置的第一PTC设备和第二PTC设备，并且还包括与PTC电路电气串联布置的热熔丝；以及响应于异常状况，将第一PTC设备从正常状态改变为跳闸状态，其中在使第一PTC设备跳闸之后第二PTC设备从正常导电状态转变为跳闸状态，并且其中第二PTC设备致使热熔丝熔化。
在另一个实施例中，热保护电路可以包括沿第一电流路径布置的热熔丝，第一电流路径被耦合到外部部件；以及PPTC加热器，设置成与热熔丝热接近，PPTC加热器包括沿第二电流路径布置的、与第一电流路径分开的PPTC设备。
附图说明
图1示出了根据本公开实施例的热保护电路；
图1A示出了图1A的热保护电路在正常状况期间的操作；
图1B和图1C共同示出了图1A的热保护电路在异常事件期间的操作；
图2示出了根据本公开实施例的第一PPTC设备和第二PPTC设备的电阻数据作为温度函数的示例；
图3是示出根据本公开的实施例布置的PTC电路的示例性温度和电流行为的复合图；
图4示出了根据本公开实施例的热保护电路；
图5A示出了根据本公开实施例的热保护电路的俯视图；
图5B示出了根据本公开实施例的以横截面形式的图5A的热保护电路；以及
图6示出了根据本公开的进一步实施例的另一热保护电路。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述本实施例，其中示出了示例性实施例。实施例不应被解释为局限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达其范围。在附图中，类似的数字始终指代类似的元件。
在下面的描述和/或权利要求中，“……之上”、“覆盖于……之上”、“布置在……之上”以及“……上方”的术语可被用于下面的说明和权利要求中。“……之上”、“覆盖于……之上”、“布置在……之上”和“……上方”可被用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触。此外，术语“……之上”、“覆盖于……之上”、“布置在……之上”和“……上方”可以意指两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“……上方”可以意指一个元件位于另一个元件之上，而彼此不接触，并且可以在两个元件之间具有另一个或多个元件。此外，术语“和/或”可以意指“和”，它可以意指“或”，它可以意指“排他性的或”，它可以意指“一个”，它可以意指“一些，但不是全部”，它可以意指“两者都不是”，和/或它可以意指“两者”，尽管所要求保护的主题内容的范围在这方面不受限制。
在各种实施例中，基于PTC电路和热熔丝或热熔断器的组合提供了一种新型热保护电路。根据各种非限制性实施例，热保护电路可被用于保护任何合适的物体、部件、电路或上述的组合。如下所述，在各种实施例中，PTC电路可以包括第一PTC设备，具有耦合到PTC电路的输入路径的第一输入侧，并且具有耦合到该PTC电路的输出路径的第一输出侧。PTC电路还可以包括第二PTC设备，其具有耦合到PTC电路的输入路径的第二输入侧，并且具有耦合到该PTC电路的输出路径的第二输出侧。热保护电路的热熔丝可以具有第三输入侧，其经由PTC电路的输出路径耦合到第一PTC设备的第一输出侧和第二PTC设备的第二输出侧。如下所述，该电路架构在异常事件的情况下提供了有利的保护。
图1示出了根据本公开实施例的热保护电路100。图1A示出了图1A的热保护电路100在正常状况下的操作。图1B和图1C共同示出了图1A的热保护电路100在异常事件期间的操作。如图1所示，热保护电路100包括第一PTC设备102，其布置在PTC电路108中，并且具有耦合到PTC电路108的输入路径103的第一输入侧112，并且具有耦合到PTC电路108的输出路径105的第一输出侧114。热保护电路100还包括第二PTC设备104，其具有耦合到PTC电路108的输入路径103的第二输入侧116，并且具有耦合到PTC电路108的输出路径105的第二输出侧118。热保护电路还包括热熔断器或类似的热元件，本文称为热熔丝106，其具有第三输入侧120，经由PTC电路108的输出路径105耦合到第一PTC设备102的第一输出侧114和第二PTC设备104的第二输出侧118。
根据本公开的各种实施例，术语PTC设备可以指由正温度系数(PTC)材料形成的设备，其中PTC设备是可复位设备，其作用通过在给定温度(通常称为跳闸温度)下表现出电阻率的大幅增加来限制电流。在特定实施例中，第一PTC设备102和第二PTC设备104中的一个或多个可以由聚合物PTC材料(PPTC)材料形成。合适的PTC材料或PPTC材料可包括由一种或多种合适的聚合物形成的聚合物基体，以及导电填料，诸如碳、金属粉末、石墨烯或其他已知填料。材料特性，诸如正常状态电阻率，可以通过调整导电填料相对于整个PTC材料(包括聚合物基体在内)的相对百分比来定制。
关于用于PTC设备的聚合物基体，根据非限制性实施例的用于PTC设备102的合适材料包括半结晶聚合物，例如，聚乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、聚己内酯、聚氨酯和聚酯。根据一些非限制性实施例，用于第二PTC设备104的合适材料包括半结晶聚合物，例如，聚乙烯、聚偏氟乙烯、全氟烷氧基烷烃、乙烯-四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物。
如本领域已知的，PTC设备的跳闸温度可以由PTC材料的聚合物基体的熔化温度或软化温度来设定。在各种实施例中，第一PTC设备102被布置有第一跳闸温度，并且第二PTC设备104被布置有大于第一跳闸温度的第二跳闸温度。此外，第一PTC设备102的第一电阻率可以被布置成小于第二PTC设备104的第二电阻率。在一些非限制性示例中，第一PTC设备102的电阻率可以比第二PTC设备104的电阻率低10倍、低50倍或低100倍的系数。
在操作中，热保护电路100可以被耦合以保护任何合适的部件，如部件150所示，其代表待保护的设备、电路或其他实体。保护的示例可以包括将到部件150的电流限制到给定操作电压的可接受限度内。
现在转到图1A，示出了图1A的热保护电路100在正常状况下的操作。在这种情况下，电流可以通过热保护电路100到部件150。电流可以在可接受的范围内，并且可以相应地沿着预定路径穿过热保护电路100。例如，当第一PTC设备102的电阻比第二PTC设备104的电阻低例如10倍或100倍时，通过PTC电路108的大部分(如果不是全部)入射电流122可以通过第一PTC设备104并通过热熔丝106被传导，该部件可以是高度导电的。这样，热熔丝106可以不受通过热保护电路100的入射电流122的水平的影响。
图1B示出了图1A的热保护电路100在异常事件期间的操作。异常事件可以使得第一PTC设备102跳闸。换句话说，该异常事件可导致第一PTC设备102的温度超过第一PTC设备102的跳闸温度。异常事件的一个示例是导致PTC设备跳闸的过电流。当电流流过PTC设备时，生成的热量会使PTC设备的温度升高。在过电流的情况下，第一PTC设备102的内部温度可以达到跳闸温度，其中第一PTC设备102的电阻率增加两个数量级、三个数量级或四个数量级，等等。这样，电流可以被第一PTC设备102阻断，其中异常事件期间的入射电流130作为旁路电流130B被引向第二PTC设备104，该设备最初可以将过电流传导通过其中，如电流130C所示。
同时，旁路电流130B将导致第二PTC设备104中的温度增加，并且可以导致第二PTC设备104超过第二PTC设备104的跳闸温度。处于跳闸状态的第二PTC设备104的电阻率的突然增加还将增加由第二PTC设备104响应于旁路电流130B通过其中而生成的热量134。
现在转到图1C，示出了在图1B的实例之后的稍后实例，在异常事件期间，从第二PTC设备104生成的热量134熔化了热熔丝106，导致其中电流不再流过热保护电路100的开路状况。通过提供与第一PTC设备102并联的第二PTC设备104，包括第二PTC设备104的PTC电路108的分支有效地形成加热器电路，其中，当第一PTC设备102被触发时，第二PTC设备104被触发以加热热熔丝106，从而将电流转移到第二PTC设备104。
请注意，在各种实施例中，第二PTC设备104可以与热熔丝106热接近。以此方式，可响应于异常事件使热熔丝106以快速方式断开。
如前所述，第一PTC设备的触发温度可以低于第二PTC设备的触发温度。图2示出了根据本公开实施例的第一PPTC设备(PTC1)和第二PPTC设备(PTC2)的示例性电阻数据作为温度的函数。在这种情况下，第一PPTC设备具有的触发温度在160度的范围内，并且第二PPTC设备具有的触发温度在230℃的范围内。请注意，以这种方式，第一PTC设备可作为传感器在过热下触发，而第二PTC设备被用于熔化热熔丝，使得第一PTC设备的触发温度被设定为低于热熔丝熔化温度。在这方面，根据一些非限制性实施例的用于热熔丝的合适材料包括无铅焊料或可替选地，含铅焊料。更一般地，部件的各种温度之间的关系是PTC1的触发(跳闸)温度<热熔丝的熔化温度<PTC2的跳闸(跳闸状态)温度。请注意，因为在本公开的实施例中，PTC2是由电流触发的，所以PTC2的实际触发(跳闸)温度并不那么重要。当PTC2被过电流触发进入跳闸状态时，跳闸状态期间生成的热量熔化热熔丝，因此PTC2跳闸温度(在低电流下)应高于热熔丝的熔点。
因此，在PTC1和PTC2的跳闸温度之间设定相对较宽的间隙将使有能力使用不同的热熔丝，具有更宽范围的熔断器温度落入PTC1与PTC2的触发温度之间。
图3是示出根据本公开的实施例布置的基于PTC的热保护电路的示例性温度和电流行为的复合图。在该示例中，与图1的电路类似的电路在850V DC和4A电流下进行测试。整个电路以2℃/分钟的速度从室温加热，同时对电流和温度进行监测。三条温度曲线中最低的代表环境温度作为时间的函数，而其他两条曲线代表第一PTC设备(PTC1)和第二PTC设备(PTC2)的温度。在大约2750秒的加热时间，环境温度达到105℃。此时，第一PTC设备达到触发点，这意味着4A电流和环境温度的组合导致第一PTC设备到达触发点，导致温度急剧增加。几乎同时，由于4A电流通过第二PTC设备的分流，第二PTC设备也被触发，通常如上文关于图1B-1C所解释的。如图所示，这导致温度急剧增加至123℃。如图所示，温度的增加导致热熔丝断开，从而导致电流降至零。
图4示出了根据本公开的进一步实施例的热保护电路200。在该示例中，提供了热熔丝106，通常如上文关于图1所述。例如，热熔丝106可以形成主保护电路202的一部分，该主保护电路限制到部件150的电流。如图所示，热熔丝106与部件150沿着电气路径204进行电气串联布置。热保护电路200还包括PPTC加热器206，其布置成与热熔丝106热接近。PPTC加热器206可以与上述第二PTC设备104相同或类似。PPTC加热器206沿着电气路径210而被布置在与电气路径204分开的加热器电路208中。在异常事件期间，当环境温度和通过PPTC加热器206的PPTC材料的电流的组合导致PPTC加热器206超过PPTC加热器206的跳闸温度时，PPTC加热器206可以转变为高电阻率状态，并且同时生成热量134，如上所述。以此方式，热量134可导致热熔丝106断开，从而保护部件150免受过电流的影响。
图4的实施例的优点在于，由于由外部(输入信号至210)触发，所以热熔丝106被触发以熔断并产生开路的定时是可控的。
图5A示出了根据本公开实施例的热保护电路的俯视图，而图5B示出了根据本公开实施例的以横截面形式的图5A的热保护电路。热保护电路500可以被认为是图4的热保护电路的变体。一对导体(示出为外部导体502)被设置在热熔丝504的相对两侧上，其中热熔丝504可以是导电可熔断材料，如前所述。这样，外部导体502和热熔丝504限定了导电路径520，如图5B所示。导电路径520可以形成待保护的设备的电路的一部分或其他电路。在热保护电路500中，电绝缘基板510被提供为在一对导电焊盘(示为导电焊盘508)的下方。导电焊盘508与外部导体502电接触，并且通过间隙507彼此分开。
热保护电路500还包括PPTC加热器506，其由PPTC主体512形成，设置在两个电极之间，示为上导电层516和下导电层514。如在PPTC加热器206中，外部导体，诸如引线(未示出)，可被耦合到PPTC加热器506的每个电极，以驱动电流通过电路中的与由导电路径520形成的电路分开的PPTC加热器。
请注意，虽然电绝缘基板510是不良的电导体，但为了最佳操作，电绝缘基板510是良好的热导体，因此由PPTC加热器506生成的热量被有效且快速地转移到热熔丝504。适用于电绝缘基板510的合适材料包括表现出电绝缘和相对较高导热性的各种已知陶瓷。在其他实施例中，通过使用金属层作为热导体，树脂材料对于电绝缘基板510将是可接受的。
如图5B所示，焊料层518被提供在PPTC加热器506和电绝缘基板510之间。焊料层518也可以被提供在导电焊盘508的顶部，以将导电焊盘508连接到外部导体502。此外，下金属层522可被提供在电绝缘基板510上，以将电绝缘基板520接合到焊料层518，并因此接合到PPTC加热器506。
在正常操作下，电流可以穿过热保护电路500，通过外部导体502、热熔丝504和导电焊盘508，并且可以通过任何待保护的外部电路进行传导。然而，在故障状况下，PPTC加热器506可以由控制器532触发，控制器532引导从电流源530发出的触发电流，使得触发电流通过PPTC主体512。进而，触发电流导致PPTC主体生成足以熔断热熔丝504的热量，从而在间隙507的区域中在第一个导电焊盘508和第二个导电焊盘508之间产生电开路。
图6示出了根据本公开的进一步实施例的另一热保护电路。热保护电路600被布置成具有与图1的实施例相似的特征，具有标记相同的相似元件。在热保护电路600中，附加端子被耦合到第二PTC设备104，显示为触发端子602。在该实施例中，除了以上讨论的热保护电路100的特征之外，触发端子602可以被耦合用于远程和外部触发，以触发第二PTC设备来充当PTC加热器，从而加热热熔丝106。在操作中，PTC2由来自触发端子602的电流输入触发。在该实施例中，PTC加热器的触发可以比图4的实施例中更迅速。
虽然本实施例已经参考某些实施例进行公开，但是在不脱离如所附权利要求中所定义的本公开的领域和范围的情况下，对所描述的实施例进行许多修改、更改和改变是可能的。因此，本实施例不限于所描述的实施例，并且可以具有由以下权利要求及其等同物的语言定义的全部范围。

Claims (20)

1.一种热保护电路，包括：
第一PTC设备，其布置在PTC电路中，并且具有耦合到所述PTC电路的输入路径的第一输入侧，并且具有耦合到所述PTC电路的输出路径的第一输出侧；
第二PTC设备，其布置在所述PTC电路中，并且具有耦合到所述PTC电路的输入路径的第二输入侧，并且具有耦合到所述PTC电路的输出路径的第二输出侧；以及
热熔丝，其具有第三输入侧，所述第三输入侧经由所述PTC电路的输出路径耦合到所述第一PTC设备的第一输出侧和所述第二PTC设备的第二输出侧。
2.根据权利要求1所述的热保护电路，其中，所述第一PTC设备包括第一跳闸温度，并且其中所述第二PTC设备包括大于所述第一跳闸温度的第二跳闸温度。
3.根据权利要求2所述的热保护电路，其中，所述第一PTC设备包括聚乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、聚己内酯、聚氨酯、聚酯或其组合。
4.根据权利要求2所述的热保护电路，其中，所述第二PTC设备包括聚乙烯、聚偏氟乙烯、全氟烷氧基烷烃、乙烯-四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物或其组合。
5.根据权利要求1所述的热保护电路，其中，所述第二PTC设备与所述热熔丝热接近。
6.根据权利要求1所述的热保护电路，其中，所述第一PTC设备包括第一跳闸温度PTCT1，其中所述第二PTC设备包括第二跳闸温度PTCT2，其中所述热熔丝包括熔化温度TM，其中，PTCT1＜TM＜PTCT2。
7.根据权利要求1所述的热保护电路，其中，所述第一PTC设备的第一电阻率小于所述第二PTC设备的第二电阻率。
8.一种提供热保护的方法，包括：
通过保护电路传导电流，所述保护电路包括在PTC电路内以彼此电气并联的方式布置的第一PTC设备和第二PTC设备，并且还包括与所述PTC电路电气串联布置的热熔丝；以及
响应于异常状况，将所述第一PTC设备从正常状态改变为跳闸状态，其中，在所述PTC设备从正常状态改变到跳闸状态之后，所述第二PTC设备从正常导电状态转变为跳闸状态；并且其中，所述第二PTC设备致使所述热熔丝熔化。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述第一PTC设备具有耦合到所述PTC电路的输入路径的第一输入侧，并且具有耦合到所述PTC电路的输出路径的第一输出侧；
所述第二PTC设备具有耦合到所述PTC电路的输入路径的第二输入侧，并且具有耦合到所述PTC电路的输出路径的第二输出侧；以及
所述热熔丝具有第三输入侧，其经由所述PTC电路的输出路径耦合到所述第一PTC设备的第一输出侧和所述第二PTC设备的第二输出侧。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一PTC设备包括第一跳闸温度，并且其中所述第二PTC设备包括大于所述第一跳闸温度的第二跳闸温度。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一PTC设备包括聚乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、聚己内酯、聚氨酯、聚酯或其组合。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二PTC设备包括聚乙烯、聚偏氟乙烯、全氟烷氧基烷烃、乙烯-四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物或其组合。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二PTC设备与所述热熔丝热接近。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一PTC设备包括第一跳闸温度PTCT1，其中所述第二PTC设备包括第二跳闸温度PTCT2，其中所述热熔丝包括熔化温度TM，其中，PTCT1＜TM＜PTCT2。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一PTC设备的第一电阻率小于所述第二PTC设备的第二电阻率。
16.一种热保护电路，包括：
沿第一电流路径布置的热熔丝，所述第一电流路径被耦合到外部部件；以及设置与所述热熔丝热接近的PPTC加热器，所述PPTC加热器包括沿第二电流路径布置的、与所述第一电流路径分开的PPTC设备。
17.根据权利要求16所述的热保护电路，还包括设置在所述PPTC加热器和所述热熔丝之间的电绝缘基板，其中所述PPTC加热器经由所述电绝缘基板被热耦合到所述热熔丝。
18.根据权利要求17所述的热保护电路，还包括第一导电焊盘和第二导电焊盘，所述第一导电焊盘和所述第二导电焊盘中的每一个被设置在所述电绝缘基板的第一侧上，与所述电绝缘基板的与所述PPTC加热器相邻的第二侧相对，其中所述热熔丝在所述第一导电焊盘和所述第二导电焊盘之间形成导电路径。
19.根据权利要求17所述的热保护电路，其中，所述电绝缘基板包括陶瓷。
20.根据权利要求16所述的热保护电路，其中，所述热熔丝包括焊料。
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