熔断器技术概述

便携式电子设备和消费类设备，以及汽车、军事和航空航天应用中的几乎所有电子装置，都需要在一定程度上做好过流事件防护。最经济和常见的过流保护方式是熔断器。伊顿提供配置各异、种类繁多的熔断器。选择适用于特定应用的熔断器时，需要考虑数量多得惊人的参数。熔断器技术网页将审查基本的熔断器工作、应用和选择标准。

过流熔断器有两个主要用途：

· 使元器件、设备和人员免遭过流引起的火灾和电击风险

· 在故障发生后从主系统中隔离子系统

什么是过流事件？

当电路承受的负载超过正常负载时，就会发生过流事件。过流事件可以是过载或短路状态。元器件和设备可能会因两种类型的过流而损坏。

过载状态是指电路内流动的任何电流高于电路的正常满载电流。过载时，电流值通常是电路正常工作电流的二至五倍。

短路状态是一种过流事件，不仅偏离正常电流路径，而且电流值大幅超过电路的正常满载电流（达到数十、数百甚至数千倍）。

选择过流保护产品

在正常负载条件下，熔断器必须承载电路的正常工作电流，同时不会遭遇扰动性开路。但是，当过流发生时，熔断器必须中断过流，并在内部起弧后承受住熔断器两端的电压。

要正确选择熔断器，必须考虑以下标准：

折叠

电压额定值

熔断器的额定电压必须大于或等于最大开路电压。因为熔断器具有如此低的电阻，所以额定电压仅在熔断器必须开路时才变得至关重要。熔断器必须能够快速开路，在熔断器元件熔融后熄灭电弧，并防止系统开路电压在开路熔断器元件上造成电弧重燃。熔断器按照其可以安全应用的交流和/或直流电路电压来确定额定值。

正常工作电流

电路的正常工作电流是指电路通电并在正常条件下工作后汲取的电流电平（以 RMS 或直流安培值表示）。在 25 °C 下工作时，建议工作电流为额定电流的 80% 或更低，以免产生扰动性开路。例如，在正常工作电流超过 800 mA 的电路中，通常建议不要使用电流额定值为 1A 的熔断器。在环境温度升高时，需要进一步降额。熔断器数据表中的温度降额曲线。

环境温度

环境温度是指熔断器周围的空气温度，不一定是室温。熔断器的所有电气特性均在环境温度为 25 °C 时确定额定值和验证。环境温度的升高和降低都会影响熔断器的开路和载流特性。熔断器数据表中的温度降额曲线展示了这种影响。

请查阅产品系列数据表，访问 www.eaton.com/fuses，或联系技术支持部门，以了解更多信息。

过载状态和开路时间

请务必特别注意第一个过载工作点。对熔断器而言，第一个过载点通常介于额定电流的 200% 至 300% 之间，而且 400% 通常是电路保护器的第一个过载点。请查阅熔断器数据表中的时间电流曲线，以便使熔断器类型符合电路要求。

可用短路电流

熔断器必须能够在短路状态下断开电路，同时不能危及周围环境。保护装置的断开容量或分断额定值是指该装置在额定电压下安全开路（不击穿）的最大可用电流。熔断器的断开容量或分断额定值必须等于或大于电路的可用短路电流。

熔断积分 (I2t)

熔断器的熔断积分（通常称为 I2t）是指熔融特定熔断器元件所需的热能。该值由熔断器元件的构造、材料和横截面面积决定。每个熔断器系列和安培额定值都使用不同的材料和元件配置，因此，必须确定每个熔断器的 I2t 值。为确定熔断器的 I2t，需要在直流测试电路中测试额定电流（时间常数小于 50 微秒）。通过使用高速示波器和一体化程序，可以测量非常准确的 I2t 值。时间电流图描绘的 I2t 数据（图 1）。

电路设计者可以借助包括熔断器熔融 I2t 在内的多个值，为特定应用选择熔断器和确定恰当的容量大小。该值可与电路中的瞬态浪涌电流产生的热能进行比较。

图 1. 型号为 S505SCH 的延时高 I2t 熔断器时间电流曲线

时间电流曲线

时间电流曲线反映了熔断器熔融或清除时间与 RMS 或直流电流值之间的关系。在公布的大多数图形中，反映的特性通常是指熔断器在经受一定电流时的平均熔融时间。这些曲线通常展示承载 100% 额定电流的能力。它们还反映了熔断器的这一能力：在指定过载点处（通常为熔断器额定值的 135% 至 300%），在最大开路时间内开路的能力。

从设计角度看，时间电流曲线有效帮助工程师为应用指定熔断器类型或额定值。但是，建议在实际应用中测试熔断器样品，以验证其性能。

脉冲和浪涌特性

瞬态浪涌或脉冲电流用于描述电路中的任何起动、浪涌或瞬态电流产生的波形。在某些应用场合下，出现脉冲电流很正常。

因此，请务必确定恰当的熔断器容量大小，以便在允许这些脉冲通过的同时不造成扰动性开路或熔断器元件退化。如果过载状态持续出现，则熔断器必须在 UL 和 CSA 标准规定的限度内开路。抗浪涌能力是指熔断器设计和/或分类的功能，与浪涌脉冲、持续时间、频率等因素相关。

脉冲电流可能会产生热能，这些热能不一定足以造成熔断器开路，但可能会导致元件疲劳并缩短熔断器寿命。为了确定恰当的熔断器容量大小及其浪涌耐受能力，应确定电路的脉冲能量，并将其与熔断器的时间电流曲线和 I2t 额定值进行比较。熔断器的熔融 I2t 值必须大于或等于脉冲 I2t 与脉冲系数的乘积。

峰值电流和衰减时间定义了脉冲电流特性或波形。脉冲可以产生不同的波形，这决定了用于计算脉冲能量或 I2t 的公式。图 2 显示如何选择合适的波形及其对应的脉冲 I2t 计算过程。

图 2. 脉冲波形和 I2t 计算过程

熔断器耐受能力

计算出电路的脉冲 I2t 后，即可确定熔断器在不会对熔断器元件造成热应力（热应力可能导致扰动性开路）的情况下承受浪涌脉冲的能力。电路设计者需要确定恰当的熔断器容量大小，以使熔断器的熔融 I2t 值大于或等于脉冲 I2t 与脉冲系数 Fp 的乘积，即：I2t 熔断器 ≥ I2t 脉冲 x Fp。

脉冲系数取决于熔断器元件的构造。熔断器在装置使用寿命内承受的浪涌脉冲数量和频率将影响“线在空气中”(wire-in-air) 结构的熔断器元件（例如圆管型熔断器，6125 和 1025 系列）。这种结构设计利用主元件材料上镀覆或沉积的低熔点金属来产生“M”效应。如果未恰当确定熔断器容量大小，低电平脉冲电流可能导致低熔点金属与元件形成合金，同时未能使元件完全开路。

一连串脉冲电流最终将产生足够的热量来改变电阻，甚至使熔断器永久开路。因此，务必要考虑熔断器将承受的脉冲电流数量。

SolidMatrix 熔断器（例如 0603FA 或 3216FF 容量大小的表面安装熔断器）目前并未对元件结构使用“M”效应。元件仅会受每个脉冲热能的影响，并且通常不会因脉冲的数量或频率而退化。

表 1 可用于确定脉冲系数 (Fp)。例如，I2t 为 0.0823 且脉冲系数 Fp 为 1.25 的脉冲电流需要选择熔融 I2t 大于或等于 0.1029 的熔断器。

· 熔融 I2t 熔断器 ≥ I2t 脉冲 x Fp

· 熔融 I2t 熔断器 ≥ 0.0823 x 1.25

· 熔融 I2t 熔断器 ≥ 0.1029

请务必注意，必须在相同测试条件下计算或测试所比较的熔断器熔融 I2t 值和脉冲电流值；最重要的是，峰值电流大小必须相同。例如，如果脉冲的峰值电流为 15A，则必须在 15A 处计算熔断器的熔融 I2t，另外还要全面了解熔断器在该电流值下的电气特性。

表 1.

脉冲系数 Fp

可用电路板空间

电子熔断器有多种实际尺寸，包括微型熔断器（表 2）。最常见的圆管形设计为 5x15mm、5x20mm 和 6.3x32mm (1/4” x 1 1/4”)。微型熔断器通常用于电路板空间有限时。对于此类应用，可选通孔插接和表面安装装置。表面安装熔断器的标准封装尺寸为 0402 (1005)、0603 (1608)、1206 (3216)、6125 和 1025。这些尺寸是整个电子行业的标准尺寸。通孔轴向和径向引线式产品允许将熔断器安装在 PCB 上。装有引线的标准圆管型熔断器也可以通过此方式安装。

表 2.

传统圆管型熔断器的实际尺寸

标准要求

对于过流装置，北美 UL/CSA 和 IEC 标准要求的时间电流特性有很大不同。物理尺寸和使用的材料通常相差无几；但是，按照不同标准制造的熔断器不可互换，原因是当它们经受相同的电流值时，元件的熔融和开路时间并不相同。因此，电路设计者务必要考虑到世界各地的标准可能会要求使用不同的熔断器。