厚膜熔断器前后级使用的可靠性研究.pdf

厚膜熔断器前后级使用的可靠性研究雷巧林袁彭昌文袁谢强袁杨舰袁李奂袁曾玉金渊中国振华集团云科电子有限公司袁 贵州贵阳550018冤摘要院针对在前后级均需使用厚膜熔断器的应用需求袁 将国产厚膜熔断器在前后级使用的场景等效为熔断器串联模型进行研究遥 分析了不同额定电流下熔断器串联使用时的过流保护特性及对未熔断熔断器能否继续使用进行了研究遥 其中袁 未熔断熔断器稳态方面从载流容量尧 耐久性试验进行可靠性评估袁 瞬态方面从脉冲试验进行可靠性评估袁 得出了厚膜熔断器前后级使用的可靠性要求袁 为用户和前后级使用熔断器提供了技术支撑遥关键词院厚膜熔断器曰 前后级曰 串联曰 可靠性中图分类号院 TM 563文献标志码院 A文章编号院 1672-5468 渊2023冤 03-0080-05doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2023.03.014Research on the Reliability of Thick-film Fuse Used inthe Front and Rear StagesLEI Qiaolin袁 PENG Changwen袁 XIE Qiang袁 YANG Jian袁 LI Huan袁 ZENG Yujin渊China Zhenhua Group Yunke Electronics Co.袁 Ltd.袁 Guiyang 550018袁 China冤Abstract院In order to meet the application demand of thick-film fuses in front and rear stages袁the application scenarios of domestic thick-film fuses used in front and rear stages is equivalent toseries model of fuses for research.The over-current protection characteristics of fuses with differentrated currents used in series are analyzed and whether the unblown fuses can continue to be usedis studied.The reliability of unblown fuses is evaluated by current carrying capacity and durabilitytest in steady state and pulse test in transient state.The reliability requirements of thick film fusesused in front and rear stage are obtained袁 which provides technical support for users to use fusesin front and rear stage.Keywords院thick-film fuse曰 front and rear stages曰 series曰 reliability收稿日期院 2022-08-05修回日期院 2022-09-07作者简介院 雷巧林 渊1989要冤袁 男袁 湖南衡阳人袁 中国振华集团云科电子有限公司工程师袁 硕士袁 主要从事电子元器件的设计与制造工作遥电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验耘蕴耘悦栽砸韵晕陨悦 孕砸韵阅哉悦栽 砸耘L陨粤月陨蕴I栽再 粤晕阅 耘晕灾陨R韵晕酝耘晕栽粤蕴 栽耘杂栽陨晕郧电子元器件与可靠性0引言熔断器是一种串联在被保护电路中的过电流保护器件袁 当被保护电路的电流超过规定值并经过一定时间后袁 由熔体自身产生的热量会熔断熔体使电路断开袁 从而起到保护作用1-6遥 熔断器作为一种可靠性器件袁 被广泛地应用于国内外各种航天器件中袁 在安全领域中占有极其重要的地位7-9遥目前袁 我国航天工程领域在使用熔断器进行过流保护时往往前级与后级均需采用熔断器袁 后级熔断器主要保护后端线路以防后端贵重器件受损甚至整个 PCB 板烧毁曰 前级熔断器主要保护前端电源阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕80阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期以防前端电源在过流时受损遥 一般线路中后端有过流时希望后级熔断器安全熔断且前级熔断器能够正常工作袁 从而不影响整个线路的供电遥熔断器前后级使用时袁 与仅使用单只熔断器作为过流保护设计相比袁 对前后级熔断器的匹配性有更高的要求袁 国内尚未有明确的文献报道遥 因此袁本文选取目前我国航天工程领域使用得较为广泛的某国产高可靠 MFXX 型厚膜熔断器作为研究对象袁熔断器前后级使用场景可以简化为熔断器串联的模型袁 分析不同额定电流熔断器串联使用时的熔断特性以及未熔断熔断器的性能袁 得出前后级熔断器使用时的可靠性要求袁 以期能为我国航天型号工程正确地设计和使用熔断器提供指导和借鉴遥1试验方案设计1.1 试验电路设计熔断器前后级使用时可简化为熔断器串联模型袁 即将两个熔断器进行串联袁 试验电路原理图设计如图 1 所示遥其中袁 F1尧 F2为 2 只熔断器袁 R 为限流电阻遥在 R 两端采用示波器检测其承载的电流波形袁 进而得到熔断器的电流承载情况和熔断时间遥1.2 试验样品的选择选择已进入我国某航天院所合格供方目录范围的国产 MFXX 型额定电流分别为 5尧 4尧 3 A 熔断器作为研究对象袁 为了保证熔断器的一致性袁 将其冷态电阻精度均控制在依2%内曰 不同规格熔断器在不同过载电流下的典型熔断保护特性如表 1 所示遥选取阻值为 100 m赘袁 额定功率为 5 W 的直流电阻作为限流电阻 R遥示波器选用 Tektronix DPO 4104B 型数字光谱示波器袁 测试探头采用 Tektronix TPP1000 1 GHz探头遥1.3 试验方案设计给图1 所示的电路按照表 2 所示的方案进行熔断器串联过载熔断试验袁 通过示波器分别采集不同电流工况下 R 两端的电流波形图遥 根据 R 两端的电流波形图计算出熔断器的电流承载情况袁 进而确定熔断器的过流保护时间遥每只熔断器在试验前后均进行冷态电阻测试袁并对未熔断的熔断器依次按照 GJB 5850要2006叶小型熔断器通过规范曳10进行载流容量试验尧GB 9364.4要2006 叶小型熔断器第 4 部分院 通用模件熔断体曳11进行耐久性试验与脉冲能力试验袁以评估未熔断熔断器是否还能正常使用遥载流容量试验院 在室温下给产品通 100%额定电流 4 h袁 稳定后产品表面的温升不能超过 70 益且试验前后熔断器的冷态电阻变化率臆依10%曰 耐久性试验院 在 105%额定电流下试验 100 次循环渊每次循环产品通 105%额定电流 1 h袁 断开 5 min冤袁接着在 125%额定电流下试验 1 h袁 试验前后熔断器的冷态电阻变化率臆依10%曰 耐冲能力试验院 给产品施加 200%额定电流/250 ms 脉冲冲击 渊在航表 1MFXX 型熔断器的典型熔断特性参数额定电流/A过载电流/A额定电流百分比典型熔断时间/ms512.5250%300.000520.0400%2.500530.0600%0.450540.0800%0.210550.01 000%0.1105200.04 000%0.016410.0250%250.000416.0400%1.600424.0600%0.350440.01 000%0.1004100.02 500%0.0254200.05 000%0.01037.5250%180.000312.0400%2.500318.0600%0.500330.01 000%0.1203120.04 000%0.0103150.05 000%0.008图 1熔断器串联设计电路原理图示波器F1F2R雷巧林等院 厚膜熔断器前后级使用的可靠性研究81电子产品可靠性与环境试验阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕电子产品可靠性与环境试验2023 年表 2熔断器串联过载熔断试验方案F1额定电流F2额定电流过载电流熔断情况5512.55520.05530.05540.05550.055200.05410.05416.05424.05440.054100.054200.0537.55312.05318.05330.053120.053150.0天领域使用时袁 一般电源的过冲不超过熔断器额定电流的 200%袁 时间不超过 250 ms冤袁 直到产品冷态电阻变化率跃依10%或者达到 20 000 次停止试验渊正常 5 A 产品按照 200%额定电流 250 ms 脉冲冲击 20 000 次后阻值变化率约依10%冤遥2试验结果分析2.1 试验结果MFXX型熔断器串联的过载熔断情况及未熔断的熔断器性能测试分别如表 3 和表 4 所示遥2.2 不同过载电流工况下的试验结果分析2.2.1 同等额定电流熔断器串联时过载熔断分析当 5 A 与 5 A 熔断器进行串联时袁 在 12.5尧20尧 30尧 40 A 过载电流下均为阻值大的熔断器熔断袁 而阻值小的熔断器未熔断且试验后阻值正常袁这是因为在相同过载电流下袁 阻值大的熔断器熔断时间短从而先熔断曰 而阻值小的熔断器熔断时间长袁 在其与阻值大的熔断器进行串联时还未来得及熔断线路已经断开袁 从而阻值小的熔断器未熔断遥在整个过程中袁 阻值小的熔断器相当于经受了一个大的脉冲冲击袁 由于脉冲的能量还不足以使得阻值表 3熔断器串联过载熔断试验结果序号F1/冷态电阻平均值/m赘F2/冷态电阻平均值/m赘过载电流/A熔断情况及试验后平均冷态电阻情况1#5 A/16.255 A/16.5812.5F2熔断袁 F1阻值为 16.27 m赘2#5 A/16.345 A/16.6120.0F2熔断袁 F1阻值为 16.36 m赘3#5 A/16.585 A/16.3630.0F1熔断袁 F2阻值为 16.42 m赘4#5 A/16.675 A/16.4340.0F1熔断袁 F2阻值为 16.48 m赘5#5 A/16.455 A/16.5950.0F1与 F2均熔断6#5 A/16.535 A/16.59200.0F1与 F2均熔断7#5 A/16.364 A/22.5410.0F2熔断袁 F1阻值为 16.38 m赘8#5 A/16.424 A/22.6816.0F2熔断袁 F1阻值为 16.40 m赘9#5 A/16.544 A/22.4624.0F2熔断袁 F1阻值为 16.56 m赘10#5 A/16.614 A/22.5640.0F2熔断袁 F1阻值为 16.75 m赘11#5 A/16.424 A/22.65100.0F2熔断袁 F1阻值为 16.45 m赘12#5 A/16.674 A/22.71200.0F2熔断袁 F1阻值为 16.62 m赘13#5 A/16.383 A/33.067.5F2熔断袁 F1阻值为 16.39 m赘14#5 A/16.683 A/33.6812.0F2熔断袁 F1阻值为 16.68 m赘15#5 A/16.783 A/33.5618.0F2熔断袁 F1阻值为 16.81 m赘16#5 A/16.563 A/33.7830.0F2熔断袁 F1阻值为 16.59 m赘17#5 A/16.423 A/33.61120.0F2熔断袁 F1阻值为 16.42 m赘18#5 A/16.613 A/33.29150.0F2熔断袁 F1阻值为 16.60 m赘单位院 A82阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期表 45 A 未熔断产品性能测试试验后冷态电阻平均值/m赘温升/益试验后冷态电阻平均值/m赘试验后冷态电阻平均值1#16.2716.3545.416.541.16%3 256 次断开2#16.3616.4646.316.681.34%1 980 次断开3#16.4216.5847.917.596.09%687 次断开4#16.4816.8150.418.6510.95%265 次断开7#16.3816.4045.916.480.49%8#16.4016.4246.116.560.85%9#16.5616.5948.216.730.84%10#16.7516.7850.116.930.89%11#16.3916.3945.616.420.18%12#16.6816.7049.216.750.30%13#16.8116.7850.316.890.66%14#16.5916.6348.316.750.72%115#16.5716.5647.616.590.18%116#16.3716.3946.216.420.18%117#16.5616.5747.916.590.12%118#16.6316.6448.316.680.24%序号试验前冷态电阻平均值/m赘载流容量试验耐久性试验脉冲试验阻值/m赘阻值变化率16.530.30%16.710.91%16.890.96%17.121.12%16.591.04%16.921.01%16.920.18%16.780.18%16.650.36%16.450.18%16.610.12%16.720.24%小的熔断器的阻值产生明显变化袁 因而阻值小的熔断器阻值未明显变化遥 此外对未熔断的 5 A 熔断器进行载流容量尧 耐久性和脉冲试验发现院1冤 载流容量试验均合格曰2冤 随着串联使用时未熔断熔断器承受脉冲冲击的电流变大袁 在耐久性试验中阻值变化率呈现增加的趋势袁 特别是承受约 40 A/210 滋s 的 5 A 产品阻值变化率已超过依10%而失效曰3冤 脉冲试验均不合格袁 且呈现串联使用时5 A 产品承受的脉冲电流越大袁 能承受的脉冲次数越小的规律袁 说明同等规格熔断器串联使用时袁 在过载电流下未熔断的熔断器熔丝有一定损伤从而导致在后续脉冲试验中耐脉冲能力明显降低遥当 5 A 与 5 A 熔断器进行串联时袁 在 50尧 200 A过载电流下袁 2 只熔断器均熔断袁 说明在大电流过载下袁 2 只熔断器的熔断时间非常接近 渊通过测试发现熔断时间仅相差 5 滋s冤袁 从而出现 2 只熔断器同时熔断的现象遥由此可推测袁 MFXX 型号同等额定电流熔断器进行前后级使用时院 在小过载电流下袁 阻值大的熔断器熔断袁 阻值小的熔断器未熔断但其抗脉冲能力会明显变弱曰 在大过载电流下袁 当 2 个熔断器的熔断时间逸5 滋s 时袁 阻值大的熔断器熔断袁 阻值小的熔断器未熔断器但其承载能力与抗脉冲能力会明显地变弱曰 当 2 个熔断器的熔断时间约5 滋s 时袁 两个熔断器同时熔断遥2.2.2 不同等额定电流熔断器串联时过载熔断分析当 5 A 与 4 A 熔断器进行串联时袁 在 10尧 16尧24尧 40尧 100尧 200 A 过载电流下均为 4 A 的熔断器熔断袁 5 A 熔断器未熔断且试验后阻值正常遥 这是因为在相同过载电流下袁 4 A 的熔断器的熔断时间短从而先熔断曰 5 A 的熔断器熔断时间长袁 在其与 4 A 的熔断器进行串联时还未来得及熔断线路已经断开袁 从而 5 A 的熔断器未熔断遥 在整个过程中袁 5 A 的熔断器相当于经受了一个脉冲冲击袁 由于脉冲的能量还不足以使得 5 A 熔断器的阻值产生明显变化袁 从而 5 A 的熔断器阻值未明显变化遥 此外袁 对 5 A 熔断器进行载流容量尧 耐久性和脉冲试验发现院 载流容量尧 耐久性和脉冲试验均合格袁 说明 5 A 与 4 A 规格熔断器串联使用时袁 在过载电流下 5 A 熔断器熔丝损伤基本可以忽略不计袁 产品可以正常使用遥当5 A 与 3 A 熔断器进行串联时袁 其过载熔断情况与 5 A 与 4 A 熔断器进行串联的结果一致袁雷巧林等院 厚膜熔断器前后级使用的可靠性研究83电子产品可靠性与环境试验阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕电子产品可靠性与环境试验2023 年5 A 熔断器载流容量尧 耐久性和脉冲试验后冷态电阻变化率更小袁 均约依1%袁 表明 5 A 与 3 A 熔断器进行串联使用在过载熔断时袁 5 A 熔断器的损伤更小袁 完全可以忽略不计袁 产品可以正常使用遥由此可以推测袁 MFXX 型号熔断器进行前后级使用时袁 后级熔断器的额定电流臆前级熔断器额定电流的 80%袁 这样才能保证遇到故障电流时后端熔断器熔断起到保护作用袁 同时前端熔断器还能够正常使用遥3结束语对国产厚膜熔断器进行前后级使用时袁 在不同过载电流工况下的熔断器特性进行了研究袁 并得出了以下结论遥a冤 MFXX 型号同等额定电流熔断器进行前后级使用时院 在小过载电流下袁 阻值大的熔断器熔断袁 阻值小的熔断器未熔断但其抗脉冲能力会明显变弱曰 在大过载电流下袁 当 2 个熔断器的熔断时间差逸5 滋s 时袁 阻值大的熔断器熔断袁 阻值小的熔断器未熔断器但其承载能力与抗脉冲能力会明显地变弱曰 当 2 个熔断器的熔断时间差约5 滋s 时袁 2 个熔断器同时熔断遥b冤 MFXX 型号熔断器进行前后级使用时袁 后级熔断器的额定电流臆前级熔断器额定电流的80%袁这样才能保证遇到故障电流时后端熔断器熔断起到保护作用袁 同时前端熔断器还能够正常使用遥参考文献院1 彭昌文袁 杨舰袁 孙鹏远袁 等.国产可靠固态厚膜熔断器脉冲老化寿命研究 J 援 电子产品可靠性与环境试验袁2018袁 36 渊4冤院 30-35援2 孙鹏远袁 李程峰袁 彭昌文袁 等.小型高可靠熔断器抑弧性能研究 J 援 电子产品可靠性与环境试验袁 2018袁 36渊2冤院 6-10援3 彭昌文袁 杨成袁 杨舰袁 等.厚膜熔断器串电阻并联使用的可靠性研究 J 援 电子产品可靠性与环境试验袁2018袁 36 渊5冤院 24-28援4 曹广平援 航天电子设备二次电源输入保护电路设计 J 援电讯技术袁 2011袁 51 渊5冤院 114-118援5 徐晓宇袁 吕从民袁 党炜袁 等援 空间用 FM08 系列熔断器漏率研究与仿真分析 J 援 真空袁 2010袁 47 渊1冤院 63-67援6 马季军袁 屈诚志袁 陈明勤袁 等援 微型管状熔断器高电压低气压下熔断特性研究 J 援 载人航天袁 2014袁 20 渊4冤院334-340援7 徐晓宇袁 吕从民袁 党炜袁 等援 空间用 FM08 系列熔断器漏率研究与仿真分析 J 援 真空袁 2010袁 47 渊1冤院 64-67援8 LEIDECKER H袁 SLONAKER J援 Evacuated FM08 fusescarry a sustained arc in a bus over 75 VDC C/25thInternational Symposium for Testing and Failure Analysis袁1999院 225-229援9 雷巧林袁 杨舰袁 李奂袁 等.高可靠小型熔断器的研究进展 J 援 安防科技袁 2021袁 36 渊1冤院 92-93.10 中国人民解放军总装备部电子信息基础部.小型熔断器通用规范院 GJB 5850要2006 S.北京院 总装备部军标出版发行部袁 2006.11 广州电器科学研究部.小型熔断器第 4 部分院 通用模件熔断体院 GB/T 9364.4要2006 S.北京院 中国标准出版社袁 2006.84