TWI584308B - 過電流保護元件 - Google Patents

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Description

過電流保護元件
本發明係關於一種過電流保護元件，特別是關於一種藉由觸發(trip)正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)元件來提供保護的過電流保護元件。
過電流保護元件被用於保護電路，使其免於因過熱或流經過量電流而損壞。過電流保護元件通常包含兩電極及位在兩電極間之電阻材料。此電阻材料具PTC特性，亦即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，過電流保護元件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PTC過電流保護元件取代保險絲，而被更廣泛運用在高密度電子電路上。
一般而言，PTC導電複合材料係由一結晶性高分子聚合物及導電填料所組成，該導電填料係均勻分散於該高分子聚合物之中。該高分子聚合物一般為聚烯烴類聚合物，例如：聚乙烯，而導電填料一般為碳黑。然而，碳黑所能提供的導電度較低，而不符近年來應用上低阻值的需求。因此，使用具有較低體積電阻值之金屬或導電陶瓷填料的PTC導電複合材料可提供相較於碳黑更低的阻值，因而發展出低體積電阻(low rho)的過電流保護元件。
在電池的快速充電應用上，該PTC元件須在常溫至60o C具有高的維持電流(hold current)，使電池溫度即便達到60o C，仍然可以允許高電流充電，達到快速充電的目的，例如一般普通充電需要一小時充電的時間，可以因快速充電而縮短至20分鐘內完成充電動作。另外，必須符合特定安全規範要求，當電池發生過充電，瞬間電壓改變，過電壓發生，或是溫度過高的情況時，PTC元件必須能快速截斷充電電流，達到保護的功能。也要符合在80o C的環境溫度下必須於施加電流8A下於60秒內觸發之規範，用以及時對相關電路或裝置提供過電流保護。然而．低體積電阻的過電流保護元件在某一特定溫度(例如80o C)時，因該特定溫度對應的維持電流仍高（相較於使用碳黑作為導電填料者），使得過電流保護元件不易觸發，而無法通過前述產品規範的要求。
為了解決上述低體積電阻過電流保護元件於特定溫度不易觸發的問題，本發明公開了一種過電流保護元件，利用於同一元件內嵌加熱件的設計，可加速其中低體積電阻的PTC元件產生觸發，從而有效提供過電流保護。
根據本發明一實施例之過電流保護元件，其包括至少一PTC元件和至少一加熱件，且較佳地為該PTC元件和加熱件構成的層疊結構。所述PTC元件之材料包含高分子聚合物及散佈於高分子聚合物中的金屬或導電陶瓷填料，該PTC元件的體積電阻值小於0.1Ω-cm，或小於0.05Ω-cm，屬本領域中低體積電阻(low rho)之PTC元件。該加熱件可用於加熱該PTC元件。其中，過電流保護元件的特性符合關係式It (加熱) ＜ Ih (60℃) × 10%。Ih (60℃)是該過電流保護元件於60℃加熱件未被啟動時之維持電流，It (加熱)是該過電流保護元件於加熱件啟動加熱後之觸發電流。該加熱件之電阻值足以有效加熱該PTC元件，以降低該PTC元件的維持電流，從而引導觸發。該加熱件的電阻大到足以於80o C的環境溫度下，使得該過電流保護元件於施加電流8A的情況下於60秒內觸發。一實施例中，該加熱件的電阻大於等於0.1Ω。
一實施例中，加熱件可連接一開關，而該開關可接收一偵測器之信號。當偵測器感應到線路中電壓降(voltage drop)或溫度達到一特定值時，該開關導通允許電流流經該加熱件，從而對PTC元件進行加熱。
一實施例中，為提升的加熱件的發熱效率，該加熱件可為包含串聯的2個電阻器之電路設計。
一實施例中，該PTC元件中高分子聚合物之熔點大於150o C，以適用於高溫應用場合，例如使用聚偏氟乙烯(PVDF)作為高分子聚合物基材。
一實施例中，該加熱件為陶瓷PTC加熱件、高分子PTC加熱件或傳統之電阻器(resistor)加熱件。其中該高分子PTC加熱件可選用熔點大於150o C之高分子聚合物，例如使用聚偏氟乙烯(PVDF)，以提供高溫下的應用。
一實施例中，過電流保護元件的至少一加熱件係設置於2個PTC元件之間，且該2個PTC元件係並聯連接。
一實施例中，該PTC元件之兩端電氣連接至第一電極和第二電極，該加熱件之兩端電氣連接至第三電極和第四電極，其中第一至第四電極位於過電流保護元件的下表面，作為表面黏著的介面。本實施例中，PTC元件和加熱件並無共用電極。
一實施例中，該PTC元件之兩端電氣連接至第一電極和第二電極，該加熱件之兩端電氣連接至該第二電極和第三電極，其中第一至第三電極位於過電流保護元件的下表面，作為表面黏著的介面。本實施例中，PTC元件和加熱件具有一共用電極（第二電極）。
一實施例中，該PTC元件包含一PTC材料層和位於PTC材料層上表面的第一金屬箔和下表面的第二金屬箔，該加熱件包含發熱層和位於該發熱層上表面的第一導電層和下表面的第二導電層。根據此PTC元件和加熱件的結構設計，一實施例中，第一電極電氣連接該第一金屬箔，第二電極電氣連接該第二金屬箔及第一導電層，第三電極電氣連接該第二導電層。該第一、第二和第三電極位於該過電流保護元件下表面，作為表面黏著的介面。第一導電連接件沿垂直方向延伸，連接第一電極和第一金屬箔，第二導電連接件沿垂直方向延伸，連接第二電極、第二金屬箔及第一導電層。至少一導電通孔沿垂直方向延伸，連接第三電極和第二導電層。其中第一和第二導電層兩者與第一導電連接件間有隔離。另一實施例中，第一電極電氣連接該第一金屬箔，第二電極電氣連接該第二金屬箔，第三電極電氣連接該第一導電層，以及第四電極電氣連接該第二導電層。其中該第一、第二、第三和第四電極位於該過電流保護元件下表面，作為表面黏著的介面。第一導電連接件沿垂直方向延伸，連接第一電極和第一金屬箔。第二導電連接件沿垂直方向延伸，連接第二電極和第二金屬箔。第三導電連接件沿垂直方向延伸，連接第三電極和第一導電層。第四導電連接件沿垂直方向延伸，連接第四電極和第二導電層。其中第一和第二導電層與第一和第二導電連接件間有隔離。
一實施例中，該PTC元件包含一PTC材料層和位於PTC材料層上下表面的第一和第二金屬箔，該加熱件包含發熱層和位於該發熱層上表面的第一導電層和該發熱層下表面的第二導電層和第三導電層。根據此PTC元件和加熱件的結構設計，一實施例中，第一電極電氣連接該第一金屬箔，第二電極電氣連接該第二金屬箔，第三電極電氣連接該第二導電層，以及第四電極電氣連接該第三導電層。其中該第一、第二、第三和第四電極位於該過電流保護元件下表面，作為表面黏著的介面。第一導電連接件沿垂直方向延伸，連接第一電極和第一金屬箔；第二導電連接件沿垂直方向延伸，連接第二電極和第二金屬箔；至少一第一導電通孔沿垂直方向延伸，連接第三電極和第二導電層；以及至少一第二導電通孔沿垂直方向延伸，連接第四電極和第三導電層。其中第二導電層和第三導電層間有隔離，第一至第三導電層與第一和第二導電連接件間有隔離。
本發明之過電流保護元件在特定溫度下(例如60o C)仍具有高維持電流，亦即允許利用高電流達到快速充電的效果。當線路中電壓降或環境溫度達到一特定值時，啟動加熱件加熱該PTC元件，藉此可降低PTC元件的維持電流，進而引導或加速PTC元件觸發，特別適用於低體積電阻過電流保護元件的應用，可同時達到低體積電阻、高維持電流以及施加8A電流下必須於60秒內觸發的安規要求。
為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1A和1B顯示本發明第一實施例之過電流保護元件10，其實質上為六面體之過電流保護元件，可作為表面黏著元件。圖1A為過電流保護元件10之橫向示意圖，用以說明元件的基本結構和導電路徑。過電流保護元件10包含沿水平向延伸的導電層、絕緣層和PTC材料層形成的層曡結構，並搭配垂直向的導電連接件設計出所需的電路結構。為求清楚說明所構成之電路，將分解後之過電流保護元件10中之上、下表面和各導電層如圖1B所示，其中陰影部分代表為缺口設計，亦即將於電路製作時被蝕刻掉，以作為隔離之用。過電流保護元件10的核心設計包含PTC元件11和加熱件21，PTC元件11包含PTC材料層13和位於PTC材料層13上表面的第一金屬箔12和下表面的第二金屬箔14。加熱件21可為陶瓷PTC加熱件或高分子PTC加熱件，也可以使用具有適當電阻值的傳統電阻器加熱件。一實施例中，加熱件21的電阻大於0.1Ω或0.2Ω。一實施例中，加熱件21包含發熱層17和位於其上下表面的第一導電層15和第二導電層16。PTC元件11和加熱件21上下和其間設有絕緣層18、19和20，其可為預浸玻纖樹脂(prepreg)，或其他絕緣材料。上方的絕緣層18表面設有防焊層28，下方的絕緣層20的下表面設有第一電極22、第二電極23及第三電極26。第三電極26設置於第一電極22和第二電極23之間，並利用溝槽進行隔離。PTC元件11的第一金屬箔12利用第一導電連接件24連接至第一電極22，形成電氣導通。第二金屬箔14利用沿垂直方向延伸的第二導電連接件25連接至第二電極23，形成電氣導通。一實施例中，第一和第二導電連接件24和25可先用例如機械鑽孔形成半圓通孔，再利用如電鍍方式形成導電膜於半圓通孔表面而成。發熱層17上方的第一導電層15同樣利用第二導電連接件25連接至第二電極23，下方的第二導電層16利用導電通孔27電氣連接至第三電極26。
PTC材料層13包含高分子聚合物及散佈於其中的金屬或導電陶瓷填料，而具有低體積電阻特性。因PTC材料層13採用較低體積電阻的導電填料，PTC元件11的體積電阻值可小於0.1Ω-cm，或甚至小於0.05Ω-cm。PTC材料層13中的高分子聚合物可包含聚烯經類聚合物，例如高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)。高分子聚合物亦可全部或局部使用熔點大於150o C之高熔點結晶性高分子聚合物材料，例如：聚偏氟乙烯PVDF(polyvinylidene fluoride)、聚氟乙烯PVF(Polyvinyl fluoride)、聚四氟乙烯PTFE(polytetrafluoroethylene)、聚三氟氯乙烯PCTFE(polychlorotrifluoro-ethylene)，提高PTC材料層13的熔點，而得以應用於高溫場合。金屬或導電陶瓷填料包含例如鎳、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉑、碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿、氮化鋯或前述材料之混合物、合金、固溶體或核殼體。
一實施例中，若加熱件21為高分子PTC，其中的高分子聚合物可選用熔點大於150o C的材料，例如使用聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯PVF、聚四氟乙烯PTFE、聚三氟氯乙烯PCTFE等，以提供高溫應用所需。較佳地，該加熱件21的體積電阻值大於PTC元件11的體積電阻值（例如選用碳黑作為加熱件21中的導電填料），如此當過電壓或過溫發生時，感壓或感溫偵測器偵測到後即啟動開關允許電流流過加熱件21，加熱件21因具有較高電阻值，故可迅速發熱而有效加熱PTC元件。本發明因應快速發熱的需求，可在80o C的環境溫度下，使得該過電流保護元件10於施加電流8A的情況下於60秒內觸發。
一實施例中，可於過電流保護元件10的下表面設置防焊層29，覆蓋部分的第三電極26，但露出第一電極22、第二電極23和部分的第三電極26，如圖1C所示。未被防焊層29覆蓋的第一電極22、第二電極23和部分的第三電極26作為過電流保護元件10表面黏著至電路板之介面。
上述過電流保護元件10的電路如圖1D所示。PTC元件11的兩端分別連接第一電極22和第二電極23，加熱件21兩端連接第二電極23和第三電極26。本實施例中，PTC元件11和加熱件21的一端共用第二電極23。一實施例中，第三電極26可連接一開關92(例如場效電晶體FET)，該開關92另一端連接偵測器91，以接受其偵測信號。圖1D中電路端點A1和A2可連接被保護的電路或裝置，端點B1和B2則可連接至電源端，例如電池。一實施例中，該偵測器91可偵測電路中的壓降(voltage drop)或溫度，若壓降或溫度達到或大於預設值，開關92轉換成導通(on)，允許電流通過加熱件21而加熱PTC元件11，從而降低該PTC元件11的維持電流，進而觸發該PTC元件11。
因低體積電阻的過電流保護元件在特定溫度（例如80o C）的維持電流仍高，因而不易觸發。根據本發明的設計，加熱件21可對於PTC元件11增溫，加快其觸發效能，而得以通過於80o C環境溫度下8A/60秒內觸發的規範要求。
圖2A和2B顯示本發明第二實施例之過電流保護元件30，其係實質上為六面體之表面黏著型過電流保護元件。圖2A為過電流保護元件30之橫向示意圖，圖2B為過電流保護元件30之側向示意圖，用以說明元件的基本結構和導電路徑。過電流保護元件30包含沿水平向延伸的導電層、絕緣層和PTC材料層形成的層曡結構，並搭配垂直向的導電連接件設計出所需的電路結構。為求清楚說明所構成之電路，將分解後之過電流保護元件30中之各導電層如圖2C所示，其中陰影部分代表為缺口設計，亦即將部份金屬箔於電路製作時被蝕刻掉，以作為隔離之用。過電流保護元件30的核心設計包含PTC元件31和加熱件41，PTC元件31包含PTC材料層33和位於PTC材料層33上表面的第一金屬箔32和下表面的第二金屬箔34，加熱件41於本實施例可為PTC型式或其他型式的加熱件，其中包含發熱層37和位於其上表面的第一導電層35和位於下表面的第二導電層36和第三導電層36’。PTC元件31和加熱件41上下和其間設有絕緣層38、39和40，其可為預浸玻纖樹脂(prepreg)，或其他絕緣材料。防焊層48設於絕緣層38表面。下方的絕緣層40的下表面設有第一電極42、第二電極43、第三電極46和第四電極49。第三電極46和第四電極49設置於第一電極42和第二電極43之間，並利用溝槽進行隔離。另外第三電極46和第四電極49之間也形成隔離。PTC元件31的第一金屬箔32利用第一導電連接件44連接至第一電極42，形成電氣導通；第二金屬箔34利用垂直方向延伸的第二導電連接件45連接至第二電極43，形成電氣導通。一實施例中，第一和第二導電連接件44和45可先用例如機械鑽孔形成半圓通孔，再利用如電鍍方式形成導電膜於半圓通孔表面而成。發熱層37上方的第一導電層35與第一及第二導電連接件44、45間形成隔離，發熱層37下方的第二導電層36和第三導電層36’也與第一及第二導電連接件44、45間形成隔離，且第二導電層36和第三導電層36’之間彼此隔離，因此形成自第二導電層36、發熱層37、第一導電層35、發熱層37至第三導電層36’的電流路徑，形成包含2個加熱電阻器的電路，亦即本實施例中，加熱件41包含2個串聯的電阻器，可進一步提升加熱效率。第二導電層36利用第一導電通孔47連接至第三電極46，而第三導電層36’利用第二導電通孔47’電氣連接至第四電極49。該第一電極42可另包含位於絕緣層38表面之電極42’，第二電極43可另包含位於絕緣層38表面之電極43’，防焊層48位於電極42’和43’之間。
一實施例中，可使用防焊層50覆蓋第一至第四電極42、43、46和49間的隔離部分，但仍需露出第一至第四電極42、43、46和49作為表面黏著於電路板的介面以形成導電路徑，如圖2D所示。
本發明之第二實施例之過電流保護元件30的等效電路圖如圖2E所示。本實施例中，加熱件41包含2個串聯的電阻器，可提高加熱效率。類似於圖1D，本實施例中加熱件41亦可連接至開關以根據偵測器所測得的電壓降或溫度，以決定通過電流啟動加熱件41，以對PTC元件31加熱進而觸發。
圖3A和3B顯示本發明第三實施例之過電流保護元件60，其係實質上為六面體之表面黏著型過電流保護元件。圖3A為過電流保護元件60之橫向剖面示意圖，圖3B為過電流保護元件60之側向剖面示意圖。用以說明元件的基本結構和導電路徑。過電流保護元件60包含沿水平向延伸的導電層、絕緣層和PTC材料層形成的層曡結構，並搭配垂直向的導電連接件設計出所需的電路結構。為求清楚說明所構成之電路，將分解後之過電流保護元件60中之各導電層顯示如圖3C，其中陰影部分代表為缺口設計，亦即將於電路製作時被蝕刻掉，以作為隔離之用。過電流保護元件60的核心設計包含PTC元件61和加熱件71，PTC元件61包含PTC材料層63和位於PTC材料層63上下表面的第一金屬箔62和第二金屬箔64，加熱件71於本實施例可為PTC型式的加熱件，其中包含發熱層67和位於其上表面的第一導電層65和位於下表面的第二導電層66。PTC元件61和加熱件71上下和其間設有絕緣層68、69和70，其可為預浸玻纖樹脂(prepreg)，或其他適合的絕緣材料。防焊層78設於絕緣層68表面。下方的絕緣層70的下表面設有第一電極72、第二電極73、第三電極76和第四電極79。第三電極76和第四電極79設置於第一電極72和第二電極73之間，並利用溝槽進行隔離。另外第三電極76和第四電極79之間也形成隔離。PTC元件61的第一金屬箔62利用第一導電連接件74連接至第一電極72，形成電氣導通；第二金屬箔64利用垂直方向延伸的第二導電連接件75連接至第二電極73，形成電氣導通。發熱層67上方之第一導電層65利用第三導電連接件81連接第三電極76，下方之第二導電層66利用第四導電連接件82連接第四電極79。第一導電層65和第四導電連接件82間有隔離，且第二導電層66與第三導電連接件81間有隔離。根據如此設計，連接第三電極76和第四電極79的電源，會使得電流流經發熱層67，也就是電路包含1個電阻器。一實施例中，第一至第四導電連接件74、75、81和82可為表面鍍有導電膜之半圓通孔。第一電極72可另包含位於絕緣層68表面之電極72’，第二電極73可另包含位於絕緣層68表面之電極73’，防焊層78位於電極72’和73’之間。防焊層80設置於元件下表面，但露出第一至第四電極72、73、76和79，作為連接至電路板的導電介面。
上述第三實施例之過電流保護元件60之等效電路圖如圖3D所示，加熱件71可對於PTC元件61進行加熱，而加熱件71為包含1個電阻器之設計。類似於圖1D，本實施例中加熱件71亦可連接至開關以根據偵測器所測得的電壓降或溫度，以允許電流通過啟動加熱件71，從以對PTC元件61加熱進而觸發。
圖4A至4C顯示本發明第四實施例之過電流保護元件示意圖，其中係並聯2個PTC元件，以進一步降低過電流保護元件的整體電阻值。圖4A為過電流保護元件100的上視圖，圖4B和4C則分別為圖4A中沿1-1和2-2的剖面示意圖。圖4D為過電流保護元件100的等效電路圖。過電流保護元件100為包含2個PTC元件以及1個加熱件的層疊式結構，其中包含PTC元件101、PTC元件111以及設置於該PTC元件101和111之間的加熱件105。該加熱件105因位於該PTC元件101和111之間，可同時對該2個PTC元件101和111進行加熱作用。PTC元件101包含PTC材料層103和位於其上表面的第一金屬箔102以及位於其下表面的第二金屬箔104。另一PTC元件111包含PTC材料層109、位於PTC材料層109上表面的第一金屬箔108以及位於PTC材料層109下表面的第二金屬箔110。絕緣層112位於PTC元件101上表面，絕緣層113位於PTC元件101和加熱件105之間，以及絕緣層114位於PTC元件111的下表面，作為其間的隔離。PTC材料層103和109中的導電填料係採用如前述實施例所提及的低體積電阻值的導電填料，以提供元件的低阻值需求。加熱件105可為電阻器，其中一實施例為PTC電阻器，例如使用碳黑作為導電填料的高分子PTC電阻器，其包含第一導電層106、第一金屬箔108以及設置於其間的發熱層107。因為使用碳黑作為導電填料使得其電阻相較於PTC元件101和111為高，通電後可有效產生熱，以同時對於PTC元件101和111進行加熱。本實施例中，下方PTC元件111的第一金屬箔108即作為加熱件105下方的第二導電層，也就是為兩者所共用的電極。PTC元件101的第二金屬箔104和PTC元件111的第二金屬箔110利用垂直方向的第一導電連接件(例如鍍導電膜的半圓孔)121連接位於元件上下表面的第一電極115，形成電氣導通。類似地，PTC元件101的第一金屬箔102和PTC元件111的第一金屬箔108利用垂直方向的第二導電連接件122連接位於元件上下表面的第一電極116，形成電氣導通。據此，形成PTC元件101和111的並聯結構。加熱件105的第一導電層106通過第三導電連接件123連接至位於元件上下表面的第三電極131。位於上下表面的第一電極115、第二電極116和第三電極131之間的絕緣層112和114表面分別覆蓋防焊層117和118。如圖4D所示之電路圖，本實施例之過電流保護元件100並聯2個PTC元件101和111，而僅使用一個加熱件105，在元件不致於過厚的情況下，可進一步降低元件的電阻值。
以下係針對本發明的過電流保護元件的測試結果，各實施例1~6中包含單層PTC元件(如第一實施例)和兩個PTC元件(如第四實施例)的結構，且有不同的尺寸大小。測試的數據包含PTC元件的綜合初始電阻值Ri(PTC)、加熱件的初始電阻值Ri (加熱件)、加熱件於施加電壓6V和電流1A條件下的表面溫度(o C)、在60o C下加熱件未被啟動時的維持電流值Ih (hold current，單位A)以及加熱件啟動加熱後的觸發電流It（trip current，單位A）。另外，比較例1和2顯示未包含加熱件的過電流保護元件進行測試的結果，作為與實施例1~6的比較之用。實施例1~6中，PTC元件中使用碳化鈦（也可選擇常用之碳化鎢或鎳金屬粉）作為導電填料，加熱件則選用碳黑，各實施例的成分比例相同。比較例1和2選用和實施例1~6相同的PTC元件材料，但沒有加熱件的設計。 [表1]<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td></td><td> 尺寸 (mm) </td><td> 面積 (mm<sup>2</sup>) </td><td> PTC層數 </td><td> Ri (PTC) (Ω) </td><td> Ri (加熱件)  (Ω) </td><td> 加熱件表溫 <sup>o</sup>C@6V/1A </td><td> Ih (60<sup>o</sup>C) (A) </td><td> It (加熱) </td></tr><tr><td> 實施例1 </td><td> 4.0×3.0 </td><td> 12 </td><td> 1 </td><td> 0.0059 </td><td> 0.5377 </td><td> 88 </td><td> 4.5 </td><td> 0.1A </td></tr><tr><td> 實施例2 </td><td> 5.4×3.2 </td><td> 17.28 </td><td> 1 </td><td> 0.0039 </td><td> 0.3351 </td><td> 103 </td><td> 5.2 </td><td> 0.2A </td></tr><tr><td> 實施例3 </td><td> 9.5×5.0 </td><td> 47.5 </td><td> 1 </td><td> 0.0015 </td><td> 0.2835 </td><td> 83 </td><td> 8.5 </td><td> 0.2A </td></tr><tr><td> 實施例4 </td><td> 4.0×3.0 </td><td> 12 </td><td> 2 </td><td> 0.0032 </td><td> 0.325 </td><td> 93 </td><td> 5.4 </td><td> 0.2A </td></tr><tr><td> 實施例5 </td><td> 5.4×3.2 </td><td> 17.28 </td><td> 2 </td><td> 0.0022 </td><td> 0.2953 </td><td> 97 </td><td> 6.5 </td><td> 0.3A </td></tr><tr><td> 實施例6 </td><td> 9.5×5.0 </td><td> 47.5 </td><td> 2 </td><td> 0.0008 </td><td> 0.1072 </td><td> 83 </td><td> 9.2 </td><td> 0.3A </td></tr><tr><td> 比較例 1 </td><td> 5.4×3.2 </td><td> 17.28 </td><td> 1 </td><td> 0.0044 </td><td> － </td><td> － </td><td> 5.4 </td><td> 3A@99<sup>o</sup>C </td></tr><tr><td> 比較例2 </td><td> 5.4×3.2 </td><td> 17.28 </td><td> 2 </td><td> 0.0035 </td><td> － </td><td> － </td><td> 6.5 </td><td> 3A@108<sup>o</sup>C </td></tr></TBODY></TABLE>
實施例1~3為面積分別為12、17.28和47.5mm2 的元件，且包含1個PTC元件的過電流保護元件，實施例4~6為面積分別為12、17.28和47.5mm2 的元件，且包含2個並聯PTC元件的過電流保護元件。實施例4-6因為並聯2個PTC元件的關係，其PTC元件的綜合電阻值Ri (PTC)大約為同面積的實施例1~3的一半左右，可得到較低的電阻值元件。實施例1~6中，加熱件的電阻約為0.1~0.6Ω，遠大於PTC的電阻0.0008~0.006Ω，約大於50倍或70倍以上。在加熱件施加6V/1A情況下，其表面溫度可達80o C至110o C，顯然加熱件足以在啟動加熱後，有效加熱鄰近的PTC元件。實施例1~6顯示，在60o C下加熱件未被啟動時的維持電流值Ih約在4~10A，仍具有相當大的維持電流，故在電池快速充電的應用下，電池溫度即便達到60o C，仍然可以允許以高電流充電，達到快速充電的目的。然而一但加熱件啟動後，僅需要0.1A~0.3A的微小電流，即可觸發過電流保護元件。相對地，沒有加熱機制的比較例1和2，過電流保護元件需要3A的電流才得以觸發。綜言之，本發明之過電流保護元件的特性符合關係式It (加熱) ＜ Ih (60℃) × 10%，其中Ih (60℃)是該過電流保護元件於60℃加熱件未被啟動時之維持電流，It (加熱)是該過電流保護元件於加熱件啟動加熱後之觸發電流。也就是說，本發明之過電流保護元件能在特定高溫下具有高維持電流，且僅需要很小的電流即可觸發而得以有效提供過電流保護(It(加熱)小於Ih(60℃)的0.1倍)。反觀比較例1和2，其It(加熱) 約為Ih(60℃)的0.4~0.6倍左右，顯然其需要較大的電流才能產生觸發，而無法及時提供過電流保護。根據表1，實施例1~6亦符合It (加熱) ＜ Ih (60℃) × 8%或甚至符合It (加熱) ＜ Ih (60℃) × 5%的關係。
鑑於低體積電阻PTC元件於高溫時仍有較高的維持電流，因而不易觸發，本發明於特定狀況下利用加熱件加熱該PTC元件，可降低PTC元件的維持電流，進而引導或加速觸發，而得以解決低體積電阻PTC元件不易觸發的問題，可同時達到低體積電阻、高維持電流以及符合在80o C施加8A電流下必須於60秒內觸發的過電流保護元件要求。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10、30、60、100‧‧‧過電流保護元件
11、31、61、101、111‧‧‧PTC元件
12、32、62、102、108‧‧‧第一金屬箔
13、33、63、103、109‧‧‧PTC材料層
14、34、64、104‧‧‧第二金屬箔
15、35、65、106‧‧‧第一導電層
16、36、66‧‧‧第二導電層
17、37、67、107‧‧‧發熱層
18、19、20、38、39、40、68、69、70‧‧‧絕緣層
21、41、71、105‧‧‧加熱件
22、42、72、115‧‧‧第一電極
23、43、73、116‧‧‧第二電極
24、44、74、121‧‧‧第一導電連接件
25、45、75、122‧‧‧第二導電連接件
26、46、76、131‧‧‧第三電極
27‧‧‧導電通孔
28、48、78、117‧‧‧防焊層
29、50、80、118‧‧‧防焊層
36’‧‧‧第三導電層
42’、43’、72’、73’‧‧‧電極
47‧‧‧第一導電通孔
47’‧‧‧第二導電通孔
49、79‧‧‧第四電極
81‧‧‧第三導電連接件
82‧‧‧第四導電連接件
91‧‧‧偵測器
92‧‧‧開關
112、113、114‧‧‧絕緣層
123‧‧‧第三導電連接件
圖1A~1C顯示本發明第一實施例之過電流保護元件之結構示意圖。 圖1D顯示本發明第一實施例之過電流保護元件之電路示意圖。 圖2A~2D顯示本發明第二實施例之過電流保護元件之結構示意圖。 圖2E顯示本發明第二實施例之過電流保護元件之電路示意圖。 圖3A~3C顯示本發明第三實施例之過電流保護元件之結構示意圖。 圖3D顯示本發明第三實施例之過電流保護元件之電路示意圖。 圖4A~4C顯示本發明第四實施例之過電流保護元件之結構示意圖。 圖4D顯示本發明第四實施例之過電流保護元件之電路示意圖。
10‧‧‧過電流保護元件
11‧‧‧PTC元件
12‧‧‧第一金屬箔
13‧‧‧PTC材料層
14‧‧‧第二金屬箔
15‧‧‧第一導電層
16‧‧‧第二導電層
17‧‧‧發熱層
18、19、20‧‧‧絕緣層
21‧‧‧加熱件
22‧‧‧第一電極
23‧‧‧第二電極
24‧‧‧第一導電連接件
25‧‧‧第二導電連接件
26‧‧‧第三電極
27‧‧‧導電通孔
28‧‧‧防焊層

Claims (19)

  1. 一種過電流保護元件，包括：至少一PTC元件，包含高分子聚合物及散佈於其中的金屬或導電陶瓷填料，該PTC元件的體積電阻值小於0.1Ω-cm；以及至少一加熱件，用以加熱該PTC元件；其中該PTC元件包含一PTC材料層和位於PTC材料層上表面的第一金屬箔和下表面的第二金屬箔，該加熱件包含發熱層和位於該發熱層上表面的第一導電層和下表面的第二導電層；其中，過電流保護元件的特性符合關係式It(加熱)<Ih(60℃)×10%，Ih(60℃)是該過電流保護元件於60℃加熱件未被啟動時之維持電流，It(加熱)是該過電流保護元件於加熱件啟動加熱後之觸發電流。
  2. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該加熱件藉由加熱該PTC元件，降低該PTC元件的維持電流，從而引導觸發。
  3. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該加熱件的電阻大到足以於80℃的環境溫度下，使得該過電流保護元件於施加電流8A的情況下於60秒內觸發。
  4. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該加熱件的電阻大於等於0.1Ω。
  5. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該加熱件包含串聯的2個電阻器。
  6. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC元件中高分子聚合物之熔點大於150℃。
  7. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該加熱件為陶瓷PTC加熱件、高分子PTC加熱件或電阻器加熱件。
  8. 根據請求項7所述之過電流保護元件，其中該高分子PTC加熱件中高分子聚合物的熔點大於150℃。
  9. 根據請求項7所述之過電流保護元件，其中該高分子PTC加熱件中使用碳黑作為導電填料。
  10. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該至少一加熱件係設置於2個PTC元件之間，且該2個PTC元件係並聯連接。
  11. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC元件之兩端電氣連接至第一電極和第二電極，該加熱件之兩端電氣連接至第三電極和第四電極，其中第一至第四電極位於過電流保護元件的下表面，作為表面黏著的介面。
  12. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC元件之兩端電氣連接至第一電極和第二電極，該加熱件之兩端電氣連接至該第二電極和第三電極，其中第一至第三電極位於過電流保護元件的下表面，作為表面黏著的介面。
  13. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其另包含：一第一電極，電氣連接該第一金屬箔；一第二電極，電氣連接該第二金屬箔及第一導電層；以及一第三電極，電氣連接該第二導電層；其中該第一、第二和第三電極位於該過電流保護元件下表面，作為表面黏著的介面。
  14. 根據請求項13所述之過電流保護元件，其另包含：一第一導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第一電極和第一金屬箔； 一第二導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第二電極、第二金屬箔及第一導電層；以及至少一導電通孔，沿垂直方向延伸，連接第三電極和第二導電層；其中第一和第二導電層和第一導電連接件間有隔離。
  15. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其另包含：一第一電極，電氣連接該第一金屬箔；一第二電極，電氣連接該第二金屬箔；一第三電極，電氣連接該第一導電層；以及一第四電極，電氣連接該第二導電層；其中該第一、第二、第三和第四電極位於該過電流保護元件下表面，作為表面黏著的介面。
  16. 根據請求項15所述之過電流保護元件，其另包含：一第一導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第一電極和第一金屬箔；一第二導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第二電極和第二金屬箔；一第三導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第三電極和第一導電層；以及一第四導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第四電極和第二導電層；其中第一和第二導電層與第一和第二導電連接件間有隔離。
  17. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該加熱件另包含位於該發熱層下表面的第三導電層。
  18. 根據請求項17所述之過電流保護元件，其另包含：一第一電極，電氣連接該第一金屬箔；一第二電極，電氣連接該第二金屬箔；一第三電極，電氣連接該第二導電層；以及 一第四電極，電氣連接該第三導電層；其中該第一、第二、第三和第四電極位於該過電流保護元件下表面，作為表面黏著的介面。
  19. 根據請求項18所述之過電流保護元件，其另包含：一第一導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第一電極和第一金屬箔；一第二導電連接件，沿垂直方向延伸，連接第二電極和第二金屬箔；至少一第一導電通孔，沿垂直方向延伸，連接第三電極和第二導電層；以及至少一第二導電通孔，沿垂直方向延伸，連接第四電極和第三導電層；其中第二導電層和第三導電層間有隔離，第一至第三導電層與第一和第二導電連接件間有隔離。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015217426A1 (de) * 2015-09-11 2017-03-16 Zf Friedrichshafen Ag Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte
US10976790B2 (en) * 2017-02-09 2021-04-13 Microchip Technology Incorporated Load balancing in multi-port USB systems
US9997906B1 (en) * 2017-09-21 2018-06-12 Polytronics Technology Corp. Over-current protection device
JP6755894B2 (ja) * 2018-02-13 2020-09-16 本田技研工業株式会社 鞍乗り型車両
WO2020103142A1 (en) 2018-11-23 2020-05-28 Littelfuse Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Pptc composition and device having low thermal derating and low process jump
TWI793611B (zh) * 2021-05-21 2023-02-21 聚鼎科技股份有限公司 過電流保護元件
CN116092760A (zh) * 2022-12-30 2023-05-09 上海维安电子股份有限公司 一种防冷热冲击失效的过流保护元件

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW465159B (en) * 1998-07-28 2001-11-21 Littelfuse Inc Surface mount electrical device with multiple PTC elements
TW478231B (en) * 1999-08-24 2002-03-01 Tyco Electronics Corp Improvements to circuit protection devices
TWM284178U (en) * 2005-04-04 2005-12-21 Jeng-Ping Lin Module with multi ceramic heaters
TWI358071B (en) * 2007-05-23 2012-02-11 Polytronics Technology Corp Manufacturing method of over-current protection de

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4668857A (en) * 1985-08-16 1987-05-26 Belton Corporation Temperature self-regulating resistive heating element
US6597551B2 (en) * 2000-12-13 2003-07-22 Huladyne Corporation Polymer current limiting device and method of manufacture
TWI310955B (en) * 2006-09-26 2009-06-11 Polytronics Technology Corp Over-current protection device
US8461956B2 (en) * 2011-07-20 2013-06-11 Polytronics Technology Corp. Over-current protection device
CN103021598B (zh) * 2011-09-26 2016-05-25 聚鼎科技股份有限公司 过电流保护元件
CN103247399B (zh) * 2012-02-07 2016-11-09 聚鼎科技股份有限公司 表面粘着型热敏电阻元件
US9450401B2 (en) * 2012-03-20 2016-09-20 Apple Inc. Controlling a thermally sensitive over-current protector
TWI441201B (zh) * 2012-09-28 2014-06-11 Polytronics Technology Corp 表面黏著型過電流保護元件
TWI449062B (zh) * 2012-10-31 2014-08-11 Polytronics Technology Corp 表面黏著型過電流保護元件

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW465159B (en) * 1998-07-28 2001-11-21 Littelfuse Inc Surface mount electrical device with multiple PTC elements
TW478231B (en) * 1999-08-24 2002-03-01 Tyco Electronics Corp Improvements to circuit protection devices
TWM284178U (en) * 2005-04-04 2005-12-21 Jeng-Ping Lin Module with multi ceramic heaters
TWI358071B (en) * 2007-05-23 2012-02-11 Polytronics Technology Corp Manufacturing method of over-current protection de

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