TWI657474B - 熱金屬氧化物可變電阻器電路保護裝置 - Google Patents

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Abstract

電路保護裝置可包括：界定腔體的殼體；配置在該腔體內的金屬氧化物可變電阻器；藉由焊接連接附接至該金屬氧化物可變電阻器之第一側的可移動電極；配置在該金屬氧化物可變電阻器之該第一側上的該殼體內且相鄰該可移動電極的電弧屏蔽；以及附接至該電弧屏蔽的彈簧；其中當該彈簧在壓縮狀態時，該電弧屏蔽沿著平行於該第一側的表面方向對著該可移動電極機械地偏置。

Description

熱金屬氧化物可變電阻器電路保護裝置
實施例係關於電路保護裝置的領域。更特別的是，本實施例係關於具有組態以對過熱提供快速反應之熱斷接系統的突波保護裝置。
過電壓保護裝置係使用來保護電子電路及組件免於由於過電壓故障狀況的損害。這些過電壓保護裝置可包括在用以被保護的電路與接地線之間連接的金屬氧化物可變電阻器(MOV；metal oxide varistor)。MOV具有獨特的電流電壓特性，其允許他們被使用來保護這類電路對抗災難性的電壓突波。通常，這類裝置係利用熱熔鏈(thermal link)，其中該熱熔鏈能在不正常狀況期間熔化以形成開路(open circuit)。特別是，當大於標稱(nominal)或臨界電壓的電壓被施加到裝置時，電流流過MOV，造成熱的產生。此熱引起熱熔鏈(thermal link)熔化。一旦該鏈熔化，則創建開路，防止過電壓狀況損害要保護的電路。然而，這些現存的電路保護裝置並未提供從MOV到熱熔 鏈之有效的熱傳導，從而延遲反應時間。此外，在建立開路狀況之後，電弧(arcing)可在彼此緊密靠近的組件之間發生。此外，現存的電路保護裝置對於組合來說是複雜的，增加了製造成本。據此，電路保護裝置運用金屬氧化物可變電阻器的改善在現今是非常有用的。
本揭露之示範性實施例係關於一種電路保護裝置。在示範性實施例中，電路保護裝置可包括界定腔體(cavity)的殼體和配置在該腔體內的金屬氧化物可變電阻器。該電路保護裝置可更包括藉由焊接連接附接至該金屬氧化物可變電阻器之第一側的可移動電極、配置在該金屬氧化物可變電阻器之該第一側上的殼體(housing)內且相鄰該可移動電極的電弧屏蔽(arc shield)以及附接至該電弧屏蔽的彈簧，其中當該彈簧在壓縮狀態時，該電弧屏蔽沿著平行於該第一側的表面方向對著該可移動電極機械地偏置。
在另一示範性實施例中，電路保護裝置包括界定腔體的殼體和配置在該腔體內的金屬氧化物可變電阻器。該電路保護裝置可更包括配置在該金屬氧化物可變電阻器之第一側上的絕緣墊和配置在該絕緣墊上且電連接至該金屬氧化物可變電阻器的可移動電極。此外，該電路保護裝置可包括電弧屏蔽，其包含電絕緣體且配置在該絕緣墊上且相鄰該可移動電極的殼體內；以及包括附接至該電 弧屏蔽的彈簧，其中當該彈簧在壓縮狀態時，該電弧屏蔽沿著平行於該第一側的表面方向相對該可移動電極機械地偏置。
100‧‧‧電路保護裝置
102‧‧‧殼體
104‧‧‧第一接觸引線
106‧‧‧第二接觸引線
107‧‧‧傳導墊
108‧‧‧指示針
108A‧‧‧指示針之內部端
110‧‧‧金屬氧化物可變電阻器
112‧‧‧絕緣墊
114‧‧‧電弧屏蔽
118‧‧‧彈性導線
120‧‧‧彈簧
122‧‧‧可移動電極
124‧‧‧傳導接觸墊
128‧‧‧突出
130‧‧‧腔體
132‧‧‧開口
134‧‧‧側
136‧‧‧側部
138‧‧‧突片
140‧‧‧焊接連接
142‧‧‧側
150‧‧‧第一側
152‧‧‧第二側
圖1A為依據本揭露之實施例的電路保護裝置之透視圖。
圖1B為依據本揭露之實施例有部分殼體移除的圖1A之電路保護裝置之剖開透視圖。
圖1C為圖1A之電路保護裝置的側剖面視圖。
圖1D為依據本揭露之實施例部分組合的電路保護裝置之剖開透視圖。
圖2A為依據本揭露之實施例示範性絕緣墊的透視圖。
圖2B為依據本揭露之實施例電路保護裝置之組件的透視圖。
圖2C為圖2B之電路保護裝置之組件的另一透視圖。
圖2D為圖2B之電路保護裝置之組件的底部透視圖。
圖3A為在依據本揭露之實施例在致動故障狀況之後圖1B之電路保護裝置之組態的剖開透視圖。
圖3B為依據本揭露之實施例在致動故障狀況 之後圖1B之電路保護裝置的組態之剖開透視圖。
現將參考所附圖式在以下更充分地說明本實施例，其中繪示了較佳的實施例。然而，這些實施例可以許多不同的形式來體現，並且不應理解為限制到於此提出之實施例。相反的，提出了這些實施例，所以本揭露將為全面的且完全的，並且將充分的傳達實施例之範圍給本領域具有通常知識者。在圖式中，從頭到尾相似的數字指的是相似的元件。
在下列發明說明及/或申請專利範圍中，術語「在...上」、「重疊」、「配置在...上」以及「在...之上」可使用於下列發明說明及申請專利範圍中。可使用「在...上」、「重疊」、「配置在...上」以及「在...之上」來指示兩個或多個元件彼此直接實體接觸。然而，「在...上」、「重疊」、「配置在...上」以及「在...之上」亦意味兩個或多個元件並非彼此直接實體接觸。例如，「在...之上」可意味一個元件在另一個元件上面例沒有彼此接觸且在該兩個元件之間可具有另一元件或多個元件。進一步而言，術語「及/或」可意味「及」、可意味「或」、可意味「互斥或(exclusive-or)」、可意味「一」、可意味「一些，但非所有」、可意味「其一」及/或「兩者皆」，雖然所請求的標的之範圍在這方面並未限制。
圖1A到圖1D闡述依據本揭露之電路保護裝置100的各種視圖。特別是，圖1A為在組合之後電路保護裝置100之透視圖，未繪示內部組件。如繪示的電路保護裝置100包括第一終端，其繪示為第一接觸引線(contact lead)104和第二接觸引線106。第一接觸引線104和第二接觸引線106延伸到殼體102外側，其中殼體102可為絕緣材料，像是已知的塑膠材料或其它聚合材料。如下面所討論的，第一接觸引線104和第二接觸引線106可延伸到殼體102內側以形成與金屬氧化物可變電阻器(MOV)的電接觸。電路保護裝置100亦可包括繪示為指示針108的一對導電指示針(indicator pin)。在各種實施例中，指示針可電連接到電路保護裝置100外部的電指示器(未繪示)，像是光或其它裝置。
圖1B為有部分殼體102移除的電路保護裝置100之剖開透視圖。電路保護裝置100可包括金屬氧化物可變電阻器110，其中金屬氧化物可變電阻器110可具有平坦的形狀，像是矩形盤或圓盤。實施例並不限於此內文中。電路保護裝置100可包括絕緣墊112，配置在如所示金屬氧化物可變電阻器110之第一側(平行於在圖1B中X-Y平面的上側)上。在各種實施例中，絕緣墊112可為印刷電路板(PCB；printed circuit board)。在本實施例中，PCB可包含使用於形成印刷電路板之本體的已知材料。PCB在形狀上可為平面的且可具有任何適當的厚度以用於在電路保護裝置中使用。在各種實施例中，PCB可更例如 包括像是開口或配置在PCB之表面上或在延伸通過PCB的開口中的導電材料。
如在圖1B中所進一步繪示的，電路保護裝置100可包括配置在絕緣墊112上的可移動電極122，其中可移動電極122之操作係在下面討論。電路保護裝置100可更包括彈性導線118，其連接至在第一端上的可移動電極122且連接至在第二端上的第一接觸引線104。在各種實施例中，第一接觸引線104、第二接觸引線106及/或彈性導線118可由像是銅的材料所組成。電路保護裝置100可更包括電弧屏蔽114，其配置在金屬氧化物可變電阻器110之第一側上的殼體102內且相鄰可移動電極122。下面亦說明電弧屏蔽114之操作。此外，電路保護裝置可包括彈簧120或複數個彈簧，如圖1B所繪示。如繪示的，彈簧120可附接到電弧屏蔽114或可另以嚙合電弧屏蔽114。如在圖1B中所闡述的，當組合時，彈簧120可在壓縮狀態。如下面所詳述的，此壓縮狀態可引起電弧屏蔽114沿著金屬氧化物可變電阻器110(亦即，沿著所繪示的笛卡爾座標系(Cartesian coordinate system)的Y軸)之第一側的表面方向相對可移動電極122機械地偏置。
現看向圖1C，繪示有對於電路保護裝置100之方向A-A(X-Z平面)的側剖面視圖。如所闡述的，金屬氧化物可變電阻器110係配置在殼體102內且可具有支撐絕緣墊112的第一側150以及第二側152。在平面視圖(X-Y平面)中，依據此實施例，金屬氧化物可變電阻器 110隨著殼體102之形狀在形狀上可為矩形。如將理解的，亦可運用金屬氧化物可變電阻器110之選替的形狀，並且殼體102同樣可具有選替的形狀來搭配金屬氧化物可變電阻器110之特定形狀。如進一步在圖1D的剖開透視圖中所繪示的，絕緣墊112可直接配置在金屬氧化物可變電阻器110上。
絕緣墊112，像是PCB，不僅可作用來將可移動電極與MOV絕緣，也可作用為對機械移動系統的保護屏蔽，由於在高短路電流的事件中，若沒有屏蔽存在的話，從MOV產生之可能的火焰可能損害斷接系統。
此外，如所繪示，電弧屏蔽114可配置在絕緣墊112的部分之上。特別是，沿著平行於Y軸的方向的電弧屏蔽之長度L小於沿著Y軸的腔體130之尺寸。如下面所詳述的，電弧屏蔽114之相對較小的尺寸允許在平行於Y軸的方向上電弧屏蔽114沿著絕緣墊112之表面的位移，促進防止熔斷事件期間電弧的能力。在一些實施例中，如在圖1C中進一步繪示的，電弧屏蔽114可包括突出128。突出128可形成對絕緣墊112之表面之接觸的點，促使電弧屏蔽114藉由針對在電弧屏蔽114與絕緣墊112之間的磨擦力(friction)提供較小的表面面積而相對於絕緣墊112移動。亦如圖1D所闡述的，絕緣墊112可包括開口132，其中如下面討論的，開口132可搭配焊接連接(solder connection)。在圖1D的組態中，電弧屏蔽114係向腔體130的一側來安置，對立於其中第一接觸引線 104與第二接觸引線106進入腔體130的該側(請見圖1B)。在組合電路保護裝置100以用於正常操作之後，擺放絕緣墊112之開口132致使不會被電弧屏蔽114覆蓋，如圖1D所繪示。此開口132允許焊接連接形成在可移動電極122與金屬氧化物可變電阻器110之間。
圖2A為依據本揭露之實施例絕緣墊112之透視圖。在此實施例中，絕緣墊可為具有已知成分及結構的PCB。絕緣墊112之形狀可依據殼體之形狀來設計，像是矩形形狀或其它形狀。如所闡述的，絕緣墊112包括其功能已在上面說明的傳導接觸墊124以及開口132。
圖2B為依據本揭露之實施例不具有殼體的電路保護裝置之組件的透視圖。在圖2A中繪示的組件可例如在電路保護裝置100中使用。圖2C為圖2B之電路保護裝置之組件的另一透視圖。特別是，圖2B闡述金屬氧化物可變電阻器110、絕緣墊112和第一接觸引線104及第二接觸引線106的佈置。絕緣墊112係配置在金屬氧化物可變電阻器110上且可移動電極122配置在絕緣墊112上。可移動電極122借助焊接連接140機械地固定至金屬氧化物可變電阻器110。如在圖2C中特別繪示的，第一接觸引線104在絕緣墊112之上延伸，沿著平行於Z軸的方向形成空隙(gap)，並且未接觸絕緣墊112。將可移動電極122經由彈性導線118連接到第一接觸引線104促進可移動電極122的移動。特別是，相對圖3A與圖3B在下面所討論的，當故障狀況發生且可移動電極122從該側134 移開時，彈性導電線118可對可移動電極122之移動提供小機械阻力。
圖2D展現圖2B之電路保護裝置之組件的底部透視圖。在此範例中，第二接觸引線106可終止於電連接到金屬氧化物可變電阻器110的傳導墊107。
現看向圖3A和圖3B，繪示有依據本揭露之實施例操作電路保護裝置100的範例。在圖3A中，繪示在正常操作期間電路保護裝置100之組態的剖開透視圖。如所繪示的，電弧屏蔽114係朝向腔體130之側134來安置，並且包括側部136，其中側部136嚙合彈簧120，其位在電弧屏蔽114之其中一側上。當朝向該側134安置時，電弧屏蔽114經由側部136將彈簧120定置在壓縮狀態中。如在圖3A中進一步繪示的，可移動電極122鄰接電弧屏蔽114。在一些實施例中，可移動電極122可包括像是突片(tab)138的突出，其接合電弧屏蔽114且防止電弧屏蔽114朝向側142移動。在圖3A的組態中，可移動電極122經由焊接連接140連接至金屬氧化物可變電阻器110(如虛線特徵所繪示的)，該焊接連接140延伸通過絕緣墊112的開口132(請見圖1D)。在各種實施例中，焊接連接140可由傳統的低溫焊料組成，像是包括SnIn、SnBi或其它合金的低熔化溫度合金。
因為可移動電極122防止電弧屏蔽114移動，所以在當彈簧120在壓縮狀態的同時，電弧屏蔽114沿著Y軸相對可移動電極122機械的偏置。換言之，電弧 屏蔽114對著可移動電極122施以機械力，其趨向於將可移動電極122向該側142位移。
依據各種實施例，金屬氧化物可變電阻器110可為從任何適當的成分或製程作成之傳統的金屬氧化物可變電阻器(MOV)。MOV為電壓敏感裝置，其設計以當跨裝置施加的電壓超過額定電壓(rated voltage)時升溫。藉由先前技術的方式，MOV可由氧化鋅顆粒或類似的材料組成，其中顆粒被燒結(sinter)在一起以形成盤狀。給定的氧化鋅顆粒可為高導電材料，同時粒間的邊界係由其它氧化物形成並且為高電阻性。就在氧化鋅顆粒交會的該些點處燒結生成可比於對稱齊納二極體的「微可變電阻器(microvaristor)」。金屬氧化物可變電阻器的電性行為係從電串聯或並聯的微可變電阻器的數目導致的。MOV之燒結的本體亦解釋了其允許高能量吸收的高電載容量(electrical load capacity)，因而格外地高突波電流處置能力。
在傳統的操作之下，金屬氧化物可變電阻器110可經歷低於金屬氧化物可變電阻器110之臨界電壓的跨金屬氧化物可變電阻器110的電壓，其中臨界電壓對應至金屬氧化物可變電阻器110變為導電的電壓。因此，當電壓低於臨界電壓時，金屬氧化物可變電阻器110保持為電絕緣體。相反的，當跨金屬氧化物可變電阻器110的電壓超過臨界電壓時，金屬氧化物可變電阻器可變為導電的。舉例來說，當電壓突波狀況發生時，其中電壓超過臨 界電壓一段充足的期間，則金屬氧化物可變電阻器110從非傳導狀態改變為傳導狀態並且電流在第一接觸引線104與第二接觸引線106之間流動。當電壓突波持續時，在金屬氧化物可變電阻器110內的氧化鋅顆粒之間的空隙和邊界不夠寬以阻擋電流，因而金屬氧化物可變電阻器110變為高傳導性的。此狀況產生熱，引起在焊接連接140處的焊料之熔化。焊料之熔化轉而將可移動電極122從由以焊接連接140將可移動電極接合到固態焊料原先提供的機械束縛(mechanical restraint)釋放。
一旦機械束縛藉由熔化以焊接連接140的焊料所釋放時，由電弧屏蔽114所提供的機械偏置可將可移動電極122沿著Y軸朝向該側142位移。此位移係在圖3B中闡述，圖3B繪示在故障狀態致動之後電路保護裝置100之組態的剖開透視圖。如所闡述的，彈簧120現在伸長狀態，已釋放至少一些在圖3A中所繪示的壓縮狀態中儲存的位能(potential energy)。可移動電極122現配置朝向該側142配置，同時電弧屏蔽114係配置在焊接連接140的區域之上。藉由突片138提供由電弧屏蔽114輕易地嚙合的可移動電極122之部分促進從圖3A之組態到圖3B之組態的可移動電極122之移動。因為電弧屏蔽係在焊接連接140之上位移，抑制了由在金屬氧化物可變電阻器110與可移動電極122、彈性導線118或第一接觸引線104之間的高電壓狀態所另以生成的電弧。
例如，在當將可移動電極直接焊接到金屬氧 化物可變電阻器可以為可能的同時，若金屬氧化物可變電阻器係以絕緣材料(例如，環氧(epoxy)等)來塗佈，則這樣的設計可能不能耐受在過電壓事件期間的高短路電流以及使用上述實施例之絕緣墊112來設計也是。據此，運用絕緣墊112的實施例相較於其中可移動電極和電弧屏蔽直接相鄰金屬氧化物可變電阻器的組態提供對抗由高短路電流引起的火焰損害之較佳的保護。
在各種實施例中，指示針108可組態以提供故障狀況的指示。如在圖3A和圖3B中所繪示，指示針可具有在殼體102內延伸的內部端及在殼體102之外側延伸的外部端。在圖3A的組態中，如所繪示當可移動電極122連接到焊接連接140時，指示針可在電弧屏蔽114之上延伸。特別是，指示針108之內部端108A(請見圖3B)可沿著Z軸朝向電弧屏蔽114向下地機械偏置。因為電弧屏蔽114為電絕緣體，故即使接觸電弧屏蔽114之表面，指示針108不會彼此電連接，而據此不會完成電路徑。在其中電弧屏蔽114從該側134移開的故障狀況期間，相鄰該側134的絕緣墊112之部分被暴露。在各種實施例中，如所繪示，絕緣墊112(像是PCB)可包括外表面上向該側134定位的傳導接觸墊124。此位置允許指示針108朝向絕緣墊112被機械地偏置，用以當可移動電極122與焊接連接140斷接且電弧屏蔽據以朝向該側142位移時形成與傳導接觸墊124的電接觸。指示針108可據以完成電路徑，其形成包括指示燈(未繪示)或其它裝置的 部分的電路，且據以提供故障狀況的指示。
綜上所述，本實施例的電路保護裝置提供用於反應於過電壓狀況的組件之新穎組態。電路保護裝置係設計來提供在故障狀況之下控制/利用加熱MOV的熱驅動斷接系統。在其它益處之間，本實施例提供容易組合的裝置，提供了較低的成本。電路保護裝置亦提供對由故障狀況引起的過熱的快速反應。在一些實施例中，在沒有使用額外的保護下，可通過上至200kA。電路保護裝置更提供免於在緊密封裝中電弧之問題的安全斷接裝置。此外，提供了方便的故障或隔離指示。
在當本實施例已參考某些實施例來揭露的同時，在不悖離如下所附申請專利範圍所界定本實施例的領域及範圍下眾多的修改、更改及改變是可能的。據此，本實施例並不限於所述的實施例，而是具有由下列申請專利範圍之語言所界定的全部範圍及其均等。

Claims (15)

  1. 一種電路保護裝置，包含：界定腔體的殼體；金屬氧化物可變電阻器，配置在該腔體內；可移動電極，藉由焊接連接附接至該金屬氧化物可變電阻器的第一側；電弧屏蔽，配置在該金屬氧化物可變電阻器之該第一側上的該殼體內並且相鄰該可移動電極；以及附接至該電弧屏蔽的彈簧，其中當該彈簧在壓縮狀態時，該電弧屏蔽沿著平行於該第一側的表面方向對著該可移動電極機械地偏置，其中當該可移動電極配置在該焊接連接之上時該彈簧在壓縮狀態，且其中當該電弧屏蔽配置在該焊接連接之上時，該彈簧為伸長狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項的電路保護裝置，更包含第一接觸引線，該第一接觸引線電連接至該可移動電極，並且該電路保護裝置更包含第二接觸引線，該第二接觸引線電性地附接至該金屬氧化物可變電阻器的第二側，該第二側係相對該第一側。
  3. 如申請專利範圍第2項的電路保護裝置，更包含彈性導線，連接於該第一接觸引線與該可移動電極之間。
  4. 如申請專利範圍第1項的電路保護裝置，其中在當電壓超過該金屬氧化物可變電阻器之臨界電壓的故障狀況發生時，該金屬氧化物可變電阻器係組態以傳送足以加熱該焊接連接以釋放該可移動電極的電流，其中該彈簧將在該焊接連接之上的該電弧屏蔽位移並且將該可移動電極沿著該表面方向從該焊接連接移開。
  5. 如申請專利範圍第1項的電路保護裝置，更包含絕緣墊，配置在該金屬氧化物可變電阻器之該第一側上。
  6. 如申請專利範圍第5項的電路保護裝置，其中該絕緣墊包含印刷電路板(PCB)，且其中該電弧屏蔽及該可移動電極配置在該PCB上。
  7. 如申請專利範圍第6項的電路保護裝置，更包含第一接觸引線，該第一接觸引線電連接至該可移動電極，其中該第一接觸引線延伸通過該PCB上面的該殼體且並未接觸該PCB。
  8. 如申請專利範圍第7項的電路保護裝置，更包括彈性導線，其連接至在第一端上的該可移動電極，並且連接至在第二端上的該第一接觸引線。
  9. 如申請專利範圍第1項的電路保護裝置，更包含：印刷電路板(PCB)，配置在該金屬氧化物可變電阻器之該第一側上，該印刷電路板包含：電絕緣本體；配置在該PCB之第一區域上的導電接觸墊；以及在該金屬氧化物可變電阻器與該可移動電極之間延伸的開口。
  10. 如申請專利範圍第9項的電路保護裝置，其中該電弧屏蔽包含電絕緣體，該電路保護裝置更包含：一對導電指示針，其中該對導電指示針包含在該殼體內延伸的內部端和在該殼體之外側延伸的外部端，其中當該可移動電極連接到該焊接連接時，該導電指示針之該內部端在該電弧屏蔽之上延伸，且其中當該可移動電極與該焊接連接斷接時，該內部端與該導電接觸墊電接觸。
  11. 一種電路保護裝置，包含：界定腔體的殼體；金屬氧化物可變電阻器，配置在該腔體內；絕緣墊，配置在該金屬氧化物可變電阻器之第一側上；可移動電極，配置在該絕緣墊上且電連接到該金屬氧化物可變電阻器；電弧屏蔽，包含電絕緣體並且配置在該絕緣墊上的該殼體內且相鄰該可移動電極；以及附接至該電弧屏蔽的彈簧，其中當該彈簧在壓縮狀態時，該電弧屏蔽沿著平行於該第一側的表面方向對著該可移動電極機械地偏置。
  12. 如申請專利範圍第11項的電路保護裝置，更包含焊接連接，經由在該絕緣墊中的開口延伸於該金屬氧化物可變電阻器與該可移動電極之間。
  13. 如申請專利範圍第11項的電路保護裝置，更包含：第一接觸引線，該第一接觸引線電連接至該可移動電極；第二接觸引線，電性地附接至該金屬氧化物可變電阻器之第二側，該第二側相對該第一側；以及彈性導線，連接於該第一接觸引線與該可移動電極之間。
  14. 如申請專利範圍第11項的電路保護裝置，該絕緣墊包含：電絕緣本體；配置在該絕緣墊之第一區域上的導電接觸墊；以及在該金屬氧化物可變電阻器與該可移動電極之間延伸的開口。
  15. 如申請專利範圍第14項的電路保護裝置，更包含：一對導電指示針，其中該對導電指示針包含在該殼體內延伸的內部端和在該殼體之外側延伸的外部端，其中當該可移動電極連接到該焊接連接時，該導電指示針之該內部端在該電弧屏蔽之上延伸，且其中當該可移動電極與該焊接連接斷接時，該內部端與該導電接觸墊電接觸。
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