彭昌文，杨成，杨舰，雷巧林，孙鹏远，周婉恬

（中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018）

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，当被保护电路的电流超过规定值并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量会熔断熔体使电路断开，从而起到保护作用[1-5]。熔断器作为一种可靠性器件，广泛地应用于国内外各种航天器件中，在安全领域中占有极其重要的地位[6-7]。航天工程任务中对于高可靠厚膜熔断器的选用极为重视，因为航天任务是一个高科技、高风险的系统工程，尤其是载人航天工程，对安全性、可靠性更是提出了零故障、零失效的要求。如果熔断器失效就可能导致整个被保护系统失效，从而造成巨大的损失。因此，随着航天事业的不断发展，对熔断器的保护性能提出了更高的要求[8-9]。

目前，我国航天工程领域在使用熔断器进行过流保护设计时一般采用双熔断器并联使用模式，即将两个具有相同额定电流的熔断器并联，其中一个支路上串联一个限流电阻。由于熔断器的保护功能希望熔断器在电路出现故障过电流时能够及时、可靠地切断电流，这就要求熔断器的动作速度快一点；而其承载功能则希望熔断器在电路开关瞬间出现非故障脉冲电流时能够承受，并在整机使用中也能承受，这就要求熔断器的反应速度适当地慢一点；这两个要求是有冲突或相互制约的，需要进行综合平衡，使得所选择的熔断器既能保证电子产品在正常使用时能够顺利开关，又能保证有足够的保护功能，及时有效地保护电器和人身的安全；真正地做到所选用的熔断器在该断的时候安全地熔断、不该断的时候又不致于误动作[10]。

熔断器采用串电阻并联使用，与仅使用单只熔断器作为过流保护设计相比，对其保护功能和承载功能究竟有何影响，国内尚未有明确的文献报道。因此，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，研究其在串电阻并联设计使用与单只单独使用条件下，对在不同过载电流工况下的熔断保护特性和脉冲承载特性的影响，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。

1 试验方案设计

1.1 试验电路设计准则

熔断器过流保护设计一般采用双熔断器并联使用，即将两个具有相同额定电流的熔断器并联，其中一个支路上串联一个限流电阻。限流电阻的直流电阻值R应足够大，一般为熔断器典型电阻值的10～20倍，并且在未串联电阻支路的熔断器熔断后，通过该电阻器的电流IL产生的压降应影响设备 （负载）的正常工作。考虑电阻器的降额使用（降额因子为0.75），所选取的电阻器的额定功率应不小于1.33IL2R。

1.2 试验电路设计

试验验证电路原理图设计如图1所示。

其中，F1、F2为两只额定电流相同的熔断器，R为限流电阻。在R两端采用示波器检测其承载的电流波形，进而可得到F2#熔断器支路的电流承载情况和熔断时间。

1.3 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内的国产MFXX型额定电流值为5 A的厚膜表贴式熔断器 （MFXX-5 A）作为研究对象，该规格熔断器的典型电阻值为15 mΩ；单只该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。从表1中可知，单只MFXX-5 A熔断器的熔断临界电流 （熔断拐点）位于160%～180%额定电流之间。

表1 MFXX-5 A型熔断器的典型熔断特性参数

选取电阻值为150 mΩ，额定功率为5 W的直流电阻作为限流电阻R。考虑到熔断器的电流降额使用原则，此并联电路正常工作的最大负载电流不会超过熔断器的额定电流值5 A。因此，此限流电阻的额定功率大于1.33IL2R（其中，IL最大为5 A，R为150 mΩ），满足上述试验电路设计原则。

示波器选用Tektronix DPO 4104B型数字光谱示波器，测试探头采用Tektronix TPP1000 1 GHz探头。

1.4 试验方案设计

给图1所示的电路两端分别施加如表1所示的5～50 A的总负载电流，通过示波器分别采集不同电流工况下的R两端的电流波形图。根据R两端的电流波形图计算出F2支路上F2#熔断器的电流承载情况，并根据并联电路分流原理计算出F1支路上F1#熔断器的电流承载情况及其熔断保护时间，以及整体电路的熔断保护时间。通过对整体电路的熔断保护特性与单只MFXX-5 A熔断器的熔断保护特性进行对比分析，得出熔断器串电阻并联设计使用后对不同过载电流工况下的熔断保护特性和脉冲承载特性的影响。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

在不同的过载电流工况下，整体并联电路的熔断保护特性如表2所示。

表2 整体并联设计电路的熔断保护特性

2.2 不同过载电流工况下的试验结果分析

2.2.1 当并联电路的电流负载小于等于熔断器的额定电流时

当电路总负载电流为5 A时，根据示波图计算得到F2支路上F2#熔断器承载的电流为0.63 A。根据并联电路分流原理，F1支路上F1#熔断器承载的电流应为4.37 A，等于其额定电流值的87.4%。由于F1#熔断器与F2#熔断器承载的电流均小于MFXX-5 A熔断器的额定电流值，因此两只熔断器均应不发生熔断现象。示波器实际测得F1#和F2#熔断器均能正常工作30 min以上，不熔断。

由此可得，在并联电路总负载电流小于等于单只熔断器的额定电流值时，此并联电路中每只熔断器均不会熔断，并且此并联设计能为F1支路上的熔断器起到电流降额使用的作用。

2.2.2 当并联电路的电流负载大于熔断器的额定电流时

a）当并联电路的电流负载介于100%～200%额定电流之间时

当并联电路总负载电流为10 A（200%额定电流）时，根据示波图计算得到F2支路上F2#熔断器承载的电流为1.75 A，等于其额定电流值的35%。根据并联电路分流原理，计算得到F1支路上F1#熔断器承载的电流应为8.25 A，等于其额定电流值的165%。根据表1中单只MFXX-5 A熔断器的典型熔断特性参数可知，单只MFXX-5 A熔断器的熔断临界电流 （熔断拐点）位于160%～180%额定电流之间，因此在165%额定电流值左右时，单只MFXX-5 A熔断器应能够正常工作30 min以上不熔断；但在200%额定电流值下，单只MFXX-5 A熔断器约在50 s左右熔断。实际示波器测得F1#和F2#熔断器均能正常工作30min以上，不熔断。

由此可得，在并联电路总电流负载小于等于200%额定电流时，此并联电路中每只熔断器均不会熔断。但与单只MFXX-5 A熔断器典型熔断特性参数相比，该并联设计电路的整体临界熔断电流，即熔断拐点发生变化。

b）当并联电路的电流负载为210%～240%额定电流时

当并联电路的总负载电流为11 A（220%额定电流）时，实际示波器测得F1#和F2#熔断器均能正常工作30 min以上，不熔断。

当并联电路总负载电流为11.5 A（230%额定电流）时，示波器测得的F2支路的电流波形图如图2所示。

图2 总负载电流为11.5 A时F2支路的电流波形图

为了便于分析计算，将图2中示波器测得的F2支路的电流波形图转化成图3所示的示意图。在通电开始阶段，F2和F1支路进行分流，F1支路承载较大的电流。在通电过程中受发热等因素的影响，电路板表面的温度逐渐地上升，由于厚膜熔断器熔断体由正温度系数阻值特性的贵金属制作，当温度升高时其阻值会逐渐地增大，因此F1支路承载的电流会随时间的增加而逐渐地略微减小，对应F2支路承载的电流略微增大，即图3中D波形段所示。在一段时间D后，F1#熔断器由于较长时间承载较大电流而达到熔断点烧断，此时F2支路开始承载全部电流，F2支路电流瞬间增高，经历一段时间后过载熔断，即图3中C波形段所示，过载熔断时间为C。通过以上分析可知，时间D即为F1#熔断器的熔断时间，时间C为F2#熔断器的熔断时间。

图3 F2支路的电流波形示意图

当并联电路总负载电流为11.5 A（230%额定电流）时，根据电流示波图计算出F1#熔断器的实际熔断时间为463.6 s，F2#熔断器的实际熔断时间为2.4 s。由此可得，与单只MFXX-5 A熔断器的熔断临界电流 （熔断拐点）位于160%～180%额定电流之间相比，该并联设计电路的整体临界熔断电流增大至位于220%～230%额定电流之间。

c）当并联电路的电流负载为250%、400%、600%额定电流时

当并联电路总负载电流为12.5 A（250%额定电流）时，根据电流示波图计算出F1#熔断器的实际熔断时间为76.4 s，F2#熔断器的实际熔断时间为0.5 s。并联电路整体熔断时间为76.8 s，是单只MFXX-5 A熔断器在250%额定电流下的典型熔断时间0.3 s的256倍。

当并联电路总负载电流为20 A（400%额定电流）时，根据电流示波图计算出F1#熔断器的实际熔断时间为23.3 ms，F2#熔断器的实际熔断时间为3.3 ms。并联电路整体熔断时间为26.6 ms，是单只MFXX-5 A熔断器在400%额定电流下的典型熔断时间2.5 ms的10.6倍。

当并联电路总负载电流为30 A（600%额定电流）时，根据电流示波图计算出F1#熔断器的实际熔断时间为0.91 ms，F2#熔断器的实际熔断时间为0.34 ms。并联电路整体熔断时间为1.25 ms，是单只MFXX-5 A熔断器在600%额定电流下的典型熔断时间0.4 ms的3.1倍。

由此可得，与单只MFXX-5 A熔断器的典型熔断特性参数相比，在250%～600%额定电流范围内，该并联设计电路的整体熔断时间较单只熔断器的典型熔断时间有较大的延长，即前者约为后者的3～256倍。

需要注意的是，由于并联设计电路的整体熔断时间较单只熔断器的典型熔断时间均有较大的延长，一方面有利于延长该电路承受非故障浪涌脉冲电流的时间，提高其抗浪涌脉冲电流的能力和承载功能；另一方面，当电路出现较大的故障过载电流时，不利于该电路迅速、及时、可靠地切断故障电流，即熔断器的熔断保护功能会受到影响。

d）当并联电路的电流负载为1 000%额定电流时

当并联电路总负载电流为50 A（1 000%额定电流）时，示波器测得的F2支路的电流波形图如图4所示。

图4 总负载电流为50 A时F2支路的电流波形图

根据电流示波图计算出F1#熔断器的实际熔断时间为0.18 ms，F2#熔断器的实际熔断时间为0.12 ms。并联电路整体熔断时间为0.3 ms，是单只MFXX-5 A熔断器在1 000%额定电流下的典型熔断时间0.12 ms的2.5倍。

由此可以推测，当电路中的故障过载电流越大时，熔断器采用并联设计使用的整体熔断时间将越接近单只熔断器的典型熔断时间的2倍。

3 结束语

对国产厚膜熔断器采用串电阻并联设计使用与单只熔断器单独使用条件下，在不同过载电流工况下的熔断保护特性和脉冲承载特性进行了对比研究，得出了如下结论。

a）当并联电路的负载电流小于等于单只熔断器的额定电流值时，并联设计使用将可以为支路上的熔断器起到电流降额作用。

b）与单只熔断器的熔断临界电流 （熔断拐点）相比，并联设计使用将使电路的整体临界熔断电流增大。

c）并联设计电路的整体熔断时间较单只熔断器的典型熔断时间有较大的延长，一方面有利于延长电路承受非故障浪涌脉冲电流的时间，提高其抗浪涌脉冲电流的能力和承载功能；另一方面，当电路出现较大的故障过载电流时，不利于该电路迅速、及时、可靠地切断故障电流，即熔断器的熔断保护功能会受到影响。

d）电路中的过载电流越大，并联设计电路的整体熔断时间将越接近单只熔断器的典型熔断时间的2倍。