TWI423292B - 過電流保護元件 - Google Patents

Description

過電流保護元件

本發明係關於一種被動元件，尤係關於一種過電流保護元件。

熱敏電阻被用於保護電路，使其免於因過熱或流經過量電流而損壞。熱敏電阻通常包含兩電極及位在兩電極間之電阻材料。此電阻材料在室溫時具低電阻值，而當溫度上升至一臨界溫度或電路上有過量電流產生時，其電阻值可立刻跳升數千倍以上，藉此抑制過量電流通過，以達到電路保護之目的。

當溫度降回室溫後或電路上不再有過電流的狀況時，熱敏電阻可回復至低電阻狀態，而使電路重新正常操作。此種可重複使用的優點，使熱敏電阻取代保險絲，而被更廣泛運用在高密度電子電路上。

熱敏電阻之觸發(trip)溫度主要取決於材料之種類，為因應例如電池之低溫工作環境所需，常會採用觸發溫度較低之低溫材料，以致於造成熱敏電阻的維持電流(hold current)下降。尤其是在電池的應用上，在較高的溫度下(例如：60℃或70℃)，必須仍然要有相當高的維持電流，卻必須在80℃以下快速觸發，若單靠調整熱敏電阻的材料，是很難達到這樣的功能。因為若要在60-70℃達到高維持電流必須使用高溫材料(例如高密度聚乙烯HDPE)，但若使用高溫材料就不能夠達到80℃以下快速觸發的要求。但若使用低溫材料(例如低密度聚乙烯LDPE)是可以達到80℃以下快速觸發的要求，卻無法在60-70℃達到高維持電流。因此，如何達到高維持電流又同時具備低溫觸發的保護功能，成為現今技術難以兼顧的問題。

本發明提供一種過電流保護元件，其可同時具備高維持電流之特性並可具備低溫觸發保護之功能。

本發明一實施例之過電流保護元件包括：第一導電構件、第二導電構件、電阻元件及溫度感測開關。第一導電構件包含在同一平面上之第一電極箔及第二電極箔。電阻元件疊設於該第一導電構件及第二導電構件之間，且具正溫度或負溫度係數之行為。溫度感測開關可根據溫度變化，切換該第一電極箔及第二電極箔間為電氣導通或限流(例如斷路)狀態，此溫度切換電氣導通或限流狀態被稱為臨界溫度。該溫度感測開關之臨界溫度係低於該電阻元件之觸發溫度。

當該溫度感測開關為導通時，電流係流經該第一電極箔與第二電極箔、電阻元件及第二導電構件形成之導電路徑，當瞬間過電流通過該導電路徑時，觸發該電阻元件由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護之作用，當過電流狀況解除後，該電阻元件又恢復原先低電阻狀態。

當溫度感測開關之溫度超過其臨界溫度時，該溫度感測開關切換為限流狀態，電流瞬間流經該第一電極箔、電阻元件及第二導電構件形成之導電路徑，並產生高熱而觸發該電阻元件由低電阻狀態成為高電阻狀態，當溫度下降至低於該臨界溫度，該電阻元件又恢復原先低電阻狀態。

本發明之過電流保護元件利用電極箔面積之不同，形成具有不同電阻值之導電路徑。藉此，電阻元件可使用高溫材料而具備高維持電流之特性，且同時具備低溫觸發的功效，進而增進過電流保護元件之耐電壓特性及使用壽命。

本發明第一實施例之過電流保護元件10之立體結構如圖1A所示，其係表面黏著型式元件(SMD)。圖1B係過電流保護元件10之平面示意圖。過電流保護元件10包括電阻元件11、第一導電構件12、第二導電構件13、導電層14、絕緣層15、第一外接電極16、第二外接電極17、導電連接件18以及溫度感測開關19。電阻元件11係疊設於第一導電構件12及第二導電構件13之間。第一外接電極16及第二外接電極17設於第二導電構件13之同一側，亦即元件下方，作為外接電源之介面。第二導電構件13與第二外接電極17間以導電層14作電氣連接。第一導電構件12包含第一電極箔12a及第二電極箔12b，其中電極箔12a及12b間以溝槽20隔離，其中第一電極箔12a與第二電極箔12b在同一平面上。一實施例中，第一電極箔12a之面積小於第二電極箔12b之面積。絕緣層15設於第一外接電極16及第二導電構件13之間，於兩者間進行電氣隔離。導電連接件18在本實施例中為表面鍍有導電膜之半圓導電通孔，其連接第一外接電極16及第一電極箔12a，用於兩者間的電氣導通。溫度感測開關19設於第一導電構件12之表面。溫度感測開關19具有一臨界溫度，該臨界溫度低於電阻元件11之觸發溫度。一實施例中，溫度感測開關19係感應環境溫度而變化。當溫度感測開關19之溫度小於臨界溫度時，溫度感測開關19為導通，當溫度大於等於臨界溫度時，溫度感測開關19將切換為限流狀態(例如高電阻狀態或斷路)。一實施例中，溫度感測開關19係利用精密機械技術製作之金屬簧片開關，利用熱脹冷縮的原理，達到開關切換為導通或斷路的功能。另一實施例中，溫度感測開關19為另一熱敏電阻元件，但選用低溫觸發材料，使其觸發溫度較電阻元件11之觸發溫度為低。具低溫觸發材料之溫度感測開關19觸發時，溫度感測開關19之電阻將彈升，而大幅降低及限制其中流經的電流，而達到「限流」狀態。申言之，斷路即為「限流」之極端狀態，完全不允許電流流經溫度感測開關19。

當溫度感測開關19為導通狀態時，理論上電流由第一外部電極16經導電連接件18後，將分別經由第一電極箔12a及第二電極箔12b進入電阻元件11，之後再經由導電層14及第二外接電極17流出。然而按電阻公式：R=ρ×L/A(R為電阻，ρ為電阻係數，L為導線長度，A為導線面積)，當電流流經的面積愈大，其電阻將愈小。若將第一電極箔12a、電阻元件11及第二導電構件13之路徑設為第一導電路徑，第一電極箔12a之面積為A1，且第二電極箔12b、電阻元件11及第二導電構件13設為第二導電路徑，第二電極箔12b之面積為A2，其中第一電極箔12a的面積A1佔第一導電構件12總面積(A1+A2)之百分率是從5%至75%，較佳比率是從10%至50%。通常第一電極箔12a之面積較第二電極箔12b為小，故第一導電路徑之電阻將大於第二導電路徑之電阻。因此，當溫度感測開關19導通時，整體電阻是在最低狀態：R=ρ×L/(A1+A2)，電流同時通過該第一與第二導電路徑，因此元件有高的維持電流，也有高的觸發電流(Trip Current)。當瞬間過電流通過該第一及第二導電路徑時，觸發該電阻元件11由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護之作用。當過電流狀況解除後，該電阻元件11恢復原先低電阻狀態。

然，當溫度達到溫度感測開關19之臨界溫度時，溫度感測開關19將切換為限流狀態，使得電流瞬間流經第一電極箔12a、電阻元件11及第二導電構件13，亦即流經電阻較大之第一導電路徑。此時，原本流經第二電極箔12b之電流將瞬間被迫流經第一電極箔12a，但因流經第一電極箔12a之第一導電路徑的電阻較大，電阻驟升至：R=ρ×L/A1，電流將於第一導電路徑急遽產生熱量，當熱量提升溫度到達電阻元件11之觸發溫度時，將觸發該電阻元件11由低電阻狀態成為高電阻狀態，故第一導電路徑將成限流狀態，即阻絕大部份的電流流過。當溫度下降至低於其臨界溫度時，電阻元件11恢復原先低電阻狀態。

換言之，若電阻元件11採用較高觸發溫度之高溫材料，而溫度感測開關19之臨界溫度較電阻元件11之觸發溫度為低，當溫度感測開關19導通時，過電流保護元件10之作用如同一般高溫材料元件而具有高維持電流的特性，而當溫度感測開關19切換為限流狀態時，因溫度急遽升高，將進一步觸發電阻元件11，快速增加電阻值而抑制電流，進而達到低溫觸發之元件保護之功效。本實施例中，因溫度感測開關19之臨界溫度(例如60-90℃，較佳是65-85℃，最佳是70-80℃)較電阻元件11之觸發溫度(例如為90-160℃)為低，故電阻元件11可採用高溫材料但具有低溫觸發的功效。

圖1C為本發明第一實施例之電路示意圖，其中第一電極箔12a、電阻元件11及第二導電構件13之第一導電路徑中包含第一電阻21，而第二電極箔12b、電阻元件11及第二導電構件13之第二導電路徑中包含第二電阻22。本實施例中，當溫度未達溫度感測開關19之臨界溫度前，因第一電阻21之電阻值大於第二電阻22之電阻值，故大部分電流將流經溫度感測開關19及第二電阻22。當瞬間過電流通過該第一及第二導電路徑時，電阻21及22將由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護之作用。當溫度超過溫度感測開關19之臨界溫度時，溫度感測開關19將切換為限流狀態，迫使電流瞬間流經第一電阻21，進而觸發電阻元件11。當溫度下降至低於其臨界溫度時，電阻元件11恢復原先低電阻狀態。

圖2顯示本發明另一實施例之過電流保護元件20，其構造大致與圖1所示者相同，只有將位於元件端部之半圓形導電通孔以內建之導電連接件18’替代(本實施例為導電穿孔)，用以電氣連接第一外接電極16及第一電極箔12a。藉此，亦可達到與過電流保護元件10相同之功效。

圖3顯示本發明另一實施例之SMD型式之過電流保護元件。過電流保護元件30主要包含電阻元件31、第一導電構件32、第二導電構件33、第一外接電極36、第二外接電極37以及溫度感測開關39。第一導電構件32包含第一電極箔32a及第二電極箔32b，其中第一電極箔32a與第二電極箔32b在同一平面上。一實施例中，第一電極箔32a之面積小於第二電極箔32b之面積。電阻元件31疊設於第一導電構件32及第二導電構件33之間，且具正溫度或負溫度係數之行為。第一電極箔32a及第二電極箔32b物理接觸該電阻元件31之上表面，第二導電構件33物理接觸該電阻元件31之下表面，第一電極箔32a及第二電極箔32b間以溝槽隔離。第一外接電極36與第二導電構件33間設有絕緣層35，且第二外接電極37與第一導電構件32間亦設有絕緣層35，作為電氣隔離之用。第一外接電極36及第二外接電極37分別設於過電流保護元件30之二端部，第一外接電極36物理接觸第一電極箔32a，第二外接電極37物理接觸第二導電構件33。第一外接電極36旁另設有電極延伸部36’，該電極延伸部36’可利用導電柱38或導電孔電氣連接第二電極箔32b。電極延伸部36’與第一外接電極36間利用溫度感測開關39進行電氣導通及限流狀態之切換。

當溫度未達溫度感測開關39之臨界溫度時，溫度感測開關39導通連接第一外接電極36及電極延伸部36’。同樣因為第一電極箔32a面積小於第二電極箔32b面積的關係，大部分電流將流經由第一外接電極36、溫度感測開關39、導電延伸部36’、導電柱38、第二電極箔32b、電阻元件31、第二導電構件33及第二外接電極37形成之導電路徑。當瞬間過電流通過該導電路徑時，將觸發該電阻元件31由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護之作用。當過電流狀況解除後，該電阻元件31恢復原先低電阻狀態。

當溫度超過溫度感測開關39之臨界溫度時，溫度感測開關39為限流狀態，迫使電流瞬間流經第一外接電極36、第一電極箔32a、電阻元件31、第二導電構件33及第二外接電極37形成之導電通路，進而觸發電阻元件31。當溫度下降至低於其臨界溫度時，電阻元件31恢復原先低電阻狀態。

圖4顯示本發明另一實施例之軸型過電流保護元件40。過電流保護元件40包含電阻元件41、第一導電構件42、第二導電構件43、第一外接電極46、第二外接電極47以及溫度感測開關49。第一導電構件42包含第一電極箔42a及第二電極箔42b，其中第一電極箔42a與第二電極箔42b在同一平面上。一實施例中，第一電極箔42a之面積小於第二電極箔42b之面積。電阻元件41疊設於第一導電構件42及第二導電構件43之間，且具正溫度或負溫度係數之行為。第一電極箔42a及第二電極箔42b物理接觸該電阻元件41之上表面，第二導電構件43物理接觸該電阻元件41之下表面，該第一電極箔42a及第二電極箔42b間以溝槽隔離。

當溫度未達溫度感測開關49之臨界溫度時，溫度感測開關49導通連接第一電極箔42a及第二電極箔42b。因為第一電極箔42a面積小於第二電極箔42b面積的關係，大部分電流將流經由第一外接電極46、溫度感測開關49、第二電極箔42b、電阻元件41、第二導電構件43及第二外接電極47形成之導電路徑。當瞬間過電流通過該導電路徑時，將觸發該電阻元件41由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護之作用。當過電流狀況解除後，該電阻元件41恢復原先低電阻狀態。

當溫度超過溫度感測開關49之臨界溫度時，溫度感測開關49將成為限流狀態，迫使電流將流經第一外接電極46、第一電極箔42a、電阻元件41、第二導電構件43及第二外接電極47形成之導電通路，進而觸發電阻元件41。當溫度下降至低於其臨界溫度時，電阻元件41恢復原先低電阻狀態。

參照圖5，過電流保護元件50係圖1所示之過電流保護元件10之變化例，其中大部分構件均與過電流保護元件10相同，除了第二電極箔12b係由溝槽分離之第一箔片51、第二箔片52及第三箔片53構成，且各利用溫度感測開關19連接至第一電極箔12a。若第一箔片51、第二箔片52及第三箔片53面積的總和等同於圖1所示之第二電極箔12b，當溫度感測開關19導通時，按分流原理，大部分電流流經第一箔片51、第二箔片52及第三箔片53，之後再經過電阻元件11、第二導電構件12形成導電路徑。此導電路徑實質上即等同前述過電流保護元件10之第二導電路徑，故可提供與圖1之過電流保護元件10等同之功效。實際上，第一電極箔12a亦可能分割成數片，只要形成實質相同之第一導電路徑，即可提供等同功效。

基此，本發明之第一電極箔之面積係包括第一導電構件於第一導電路徑中之有效面積，而第二電極箔之面積則包括第一導電構件於第二導電路徑中之有效面積。

本發明之過電流保護元件於低溫或正常狀態使用時，大部分電流將流經電阻較小之導電路徑。然若溫度超過溫度感測開關之臨界溫度時，溫度感測開關將形成限流狀態，迫使電流瞬間流經電阻較大之導電路徑，進而觸發電阻元件，而達到防止過電流的目的。申言之，本發明之過電流保護元件利用電極箔面積之不同，形成具有不同電阻值之導電路徑。藉此，電阻元件可使用高溫材料而具備高維持電流之特性，且另具有低溫觸發的功效。

以上所述，僅為本發明的具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10、20、30、40、50．．．過電流保護元件

11、31、41．．．電阻元件

12、32、42．．．第一導電構件

12a、32a、42a．．．第一電極箔

12b、32b、42b．．．第二電極箔

13、33、43．．．第二導電構件

14．．．導電層

15、35．．．絕緣層

16、36、46．．．第一外接電極

17、37、47．．．第二外接電極

18、18’．．．導電連接件

19、39、49．．．溫度感測開關

21．．．第一電阻

22．．．第二電阻

38．．．導電柱

51．．．第一箔片

52．．．第二箔片

53．．．第三箔片

圖1A至1C繪示本發明第一實施例之過電流保護元件。

圖2繪示本發明第二實施例之過電流保護元件。

圖3繪示本發明第三實施例之過電流保護元件。

圖4繪示本發明第四實施例之過電流保護元件。

圖5繪示本發明第五實施例之過電流保護元件。

10．．．過電流保護元件

11．．．電阻元件

12．．．第一導電構件

12a．．．第一電極箔

12b．．．第二電極箔

13．．．第二導電構件

14．．．導電層

15．．．絕緣層

16．．．第一外接電極

17．．．第二外接電極

18．．．導電連接件

19．．．溫度感測開關

20．．．溝槽

Claims (17)

1. 一種過電流保護元件，包括：一第一導電構件，包含第一電極箔及第二電極箔，其中第一電極箔與第二電極箔在同一平面上；一第二導電構件；一電阻元件，疊設於該第一導電構件及第二導電構件之間，且具正溫度或負溫度係數之行為；以及一溫度感測開關，根據溫度變化，切換該第一電極箔及第二電極箔間為電氣導通或限流狀態；其中該溫度感測開關之臨界溫度係低於該電阻元件之觸發溫度；其中當該溫度感測開關為導通時，電流係流經該第一電極箔與第二電極箔、電阻元件及第二導電構件形成之導電路徑，當瞬間過電流通過該導電路徑時，觸發該電阻元件由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護之作用，當過電流狀況解除後，該電阻元件恢復原先低電阻狀態；當溫度感測開關之溫度超過其臨界溫度時，該溫度感測開關切換為限流狀態，電流瞬間流經該第一電極箔、電阻元件及第二導電構件形成之導電路徑，並產生高熱而觸發該電阻元件由低電阻狀態成為高電阻狀態，當溫度下降至低於其臨界溫度，該電阻元件恢復原先低電阻狀態。
2. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該臨界溫度介於60-90℃。
3. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該臨界溫度介於65-85℃。
4. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該觸發溫度介於90-160℃。
5. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該第一電極箔、電阻元件及第二導電構件形成第一導電路徑，該第二電極箔、電阻元件及第二導電構件形成第二導電路徑，該第一電極箔之面積係包括第一導電構件於第一導電路徑中之有效面積，而第二電極箔之面積包括第一導電構件於第二導電路徑中之有效面積。
6. 根據申請專利範圍第5項之過電流保護元件，其中該第一電極箔之面積佔第一導電構件之面積為5%至75%。
7. 根據申請專利範圍第5項之過電流保護元件，其中該第一電極箔之面積佔第一導電構件之面積為10%至50%。
8. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該第一電極箔及第二電極箔物理接觸該電阻元件之上表面，第二導電構件物理接觸該電阻元件之下表面，該第一電極箔及第二電極箔間以溝槽隔離。
9. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該溫度感測開關設於該第一導電構件表面。
10. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該過電流保護元件為表面黏著型元件或軸型元件。
11. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其另包含一第一外接電極及一第二外接電極，其中該第一外接電極電氣連接該第一電極箔，該第二外接電極電氣連接該第二導電構件。
12. 根據申請專利範圍第11項之過電流保護元件，其另包含一導電連接件，連接該第一外接電極及第一電極箔。
13. 根據申請專利範圍第11項之過電流保護元件，其中該第一外接電極及第二外接電極位於第二導電構件之同一側。
14. 根據申請專利範圍第11項之過電流保護元件，其另包含一電極延伸部，該電極延伸部電氣連接第二電極箔，該第一外接電極及第二外接電極分別設於過電流保護元件之二端部，該第一外接電極物理接觸第一電極箔，第二外接電極物理接觸第二導電構件，該電極延伸部與該第一外接電極間利用該溫度感測開關進行電氣導通或限流狀態之切換。
15. 根據申請專利範圍第14項之過電流保護元件，其中該電極延伸部及第二電極箔間以導電柱進行電氣連接。
16. 根據申請專利範圍第14項之過電流保護元件，其中該溫度感測開關設於該第一外接電極及電極延伸部表面。
17. 根據申請專利範圍第1項之過電流保護元件，其中該溫度感測開關係金屬簧片開關或熱敏電阻元件開關。