具有热耦合MOV过电压元件和PPTC过电流元件的电路保护装置

摘要

在复合电路保护装置(10)中，通过插入用于调节从MOV元件到PPTC元件的热传递的热质材料(13)来控制平面PPTC元件(12)与平面MOV元件(14)之间的热耦合，使得PPTC电阻器热区持续远离面对MOV的平面主箔电极来形成，从而调节从MOV到PPTC电阻器的热传递。

说明书

技术领域

本发明涉及用于防止过电压/过电流瞬变情况、并包括平面金属氧化物变阻器(“MOV”)过电压元件的复合电路保护装置，该过电压元件临界热耦合到平面高分子正温度系数(polymeric positive temperaturecoefficient)(“PPTC”)过电流元件，使得在不可逆地损坏MOV元件前有效地传送MOV元件中产生的热量以使PPTC元件跳变(trip)，而不会对PPTC元件造成不可逆的损坏。

背景技术

在本技术领域中，提供包括热耦合关系的过电压保护元件和过电流保护元件的复合电路保护装置已为人所熟知。在已提供此类元件之间热耦合之处，设计方案一直是最大化从热生成元件到热触发元件之间的热传递。过电压保护元件的一个已知示例是金属氧化物变阻器或“MOV”。过电流保护元件的一个已知示例是热敏电阻。例如，美国专利5379176和5379022中描述了采用串联热敏电阻和并联MOV的复合装置，其中，由块体材料(例如，用于热敏电阻的钛酸钡)形成为固态柱状块的热敏电阻和变阻器由金属隔板端对端接合以形成“用于优化热传递”的复合电路保护装置，以便防止诸如数字万用表等电子测量装置出现超范围过电压脉冲事件和超范围过电流情况。

美国专利6282074中描述了复合热敏电阻-变阻器保护装置的另一示例。其中，图3和图4示出包括环内部柱状PPTC元件并与其直接接触的MOV柱状元件的熔断器装置。

MOV是电压相关的非线性电气元件，通常主要由氧化锌和小痕量其它金属和氧化物组成。包括MOV的混合材料通过在烧结操作中施加强压和高温而形成，并由此形成最终的物理形态，如具有复杂氧化锌微量结构的薄圆盘。MOV的主表面提供有导电金属(例如，铜或银玻璃)形成物或淀积物，以允许形成到该表面的端子引线或其它连接。MOV最好具有电气I-V特征，这些特性类似于背靠背连接的齐纳二极管的雪崩击穿特性。由于实际上每个MOV包括在氧化锌晶界的多个半导体结，MOV可快速反应以响应过电压情况，在将电压固定到额定量的同时可能基本上跨整个圆盘表面生成大量热能。因此，需要有效地将这种分布式热量传递到反应更慢的过电流保护元件，该元件优选是采用高分子正温度系数(“PPTG”)电阻器元件的形式，由此加快PPTC电阻器装置到其极高阻抗状态的跳变。

独立的聚合物PTC装置已为人所熟知。特别有用的装置包含PTC元件，该元件包括PTC导电聚合物(即包含和以散布或以其它方式分布在其中的有机聚合物的合成物)，微粒状导电填料(例如黑烟末或金属或导电金属化合物)。此类装置在本文中称为聚合物PTC或PPTC电阻器、PPTC装置和/或PPTC元件。例如，在美国专利4237441(vanKonynenburg等人)、4545926(Fouts等人)、4724417(Au等人)、4774024(Deep等人)、4935156(van Konynenburg等人)、5049850(Evans等人)、5250228(Baigrie等人)、5378407(Chandler等人)、5451919(Chu等人)、5747147(Wartenberg等人)及6130597(Toth等人)中公开了合适导电聚合物组分和结构组件及其生产方法，这些专利的公开内容通过引用结合到本文中。

在本文使用时，术语“PTC”用于表示R₁₄值至少为2.5和/或R₁₀₀值至少为10的物质的合成物，并且最好是合成物R₃₀值应至少为6，其中，R₁₄是在14℃范围的结束和开始时的电阻率比。R₁₀₀是在100℃范围的结束和开始时的电阻率比，以及R₃₀是在30℃范围的结束和开始时的电阻率比。通常，在本发明装置中使用的合成物表现出比那些最小值要大得多的电阻率增大。

聚合物PTC电阻装置可按多种方式使用，并且在电路保护应用中特别有用，在这些应用中，它们充当远程可重置装置，以帮助防止电气组件由于电流过多和/或温度过高而造成的损坏。可以此方式保护的组件包括电动机、电池、电池充电器、扬声器、汽车中的线束、电信设备和电路及其它电气和电子组件、电路和装置。近年来，以此方式使用PPTC电阻元件、组件和装置一直在快速增长，并且在继续增长。

如共同转让的美国专利6581731(Thomas等人)中陈述的教导和公开内容中所示范的一样，在与诸如齐纳二极管、金属氧化物半导体场效晶体管(MOSEFET)及形成电压/电流调节器的更复杂集成电路等电子组件进行保护性电连接和热接触中提供PPTC电阻器装置或元件已为人所知，该专利的公开内容通过引用结合到本文中。此外，例如可参阅美国专利3708720(Whitney等人)和美国专利6700766(Sato)。此外，注意共同转让的美国专利4780598(Fahey等人)，该专利描述了通过热导电绝缘材料热耦合到诸如电压相关电阻器等其它电路元件的PPTC元件。

在足够的电流通过PPTC装置时，它达到临界或跳变值，在该值很大一部分发热(和压降)几乎总是在很小部分的装置体积上发生。此小部分在本文称为“热线”或“热区”，例如请参阅美国专利4317027(Middleman等人)。通常可理解，PPTC层厚度增大将增强保护装置承受更高电压的能力，但我们发现，只按比例增大使用现有装置几何形状的PPTC层厚度不会产生满意的高压电路保护装置。因此，要实现改进的电路保护装置，需要以有效的方式结合PPTC电阻器元件的过电流保护性质和MOV的过电压保护性质，在单个复合装置中协同实现两种保护元件的全部优点。

其它PTC材料也为人熟知，例如钛酸钡等掺杂陶瓷，但不象通常在电源保护应用中的PTC导电聚合物材料一样有用，尤其是因为陶瓷具有较高的非操作、静态电阻率，并且还具有比与到PPTC电阻器的高阻抗状态的跳变相关联的转变温度更高的Curie转变温度级别。

在电信领域中，通信对的塞尖引线和塞环线可能不利地感应或直接接触高电压电势源，如雷击或AC电源感应或接触。电信保护装置必须能够承受此类事件中遇到的高电压和产生的高电流。迄今为止，在高电压电气应用中，特别是在电信领域中，已采用引线样式的PPTC装置。传统引线样式装置通过引线将电流从电路板传送到金属箔电极。引线用作到PPTC装置金属箔电极的端子和互连。由于现有引线PPTC装置是对称的，因此，导电发生在通过垂直于相对面向的金属箔电极的PTC复合材料的方向上。因此，温度热区(和最大电势差区)标称形成大体上与PPTC电阻器金属箔等距和并行的薄平面区。

虽然上述美国专利6282074所述的教导描述了与螺栓状熔断器结构内的MOV柱状层直接接触的PPTC柱状层，但我们发现通过优化或最大化从MOV元件到PPTC元件的热传递，如使平面PPTC薄片装置直接接触MOV装置的面对的平面，不能获得令人满意的结果，并且复合装置发生故障的可能性高。我们将此故障可能性直接归因于以下事实：在PPTC元件的主箔电极设置成直接接触MOV的主面时，在MOV内产生的热量使PPTC电阻器热区更移近主箔电极，从而直接导致PPTC元件电压击穿及随后的故障。

相反，如果PPTC元件与MOV元件之间的热耦合差或基本上不存在，则由于过电压事件引起的过多电流和PPTC元件未能在足够的时间内加热和跳变以防止MOV出现不可逆变的故障，MOV元件可能会出现故障。

发明内容

我们发现，通过在PPTC元件与MOV元件之间直接插入诸如金属隔离物和/或焊料(单一性或导电或不导电粘接材料组合)或其它部件等热质材料，使得PPTC电阻器热区持续远离面向MOV的平面主箔电极，由此临界调节从MOV元件到PPTC电阻器元件的热传递，可控制平面PPTC元件与平面MOV元件之间的热耦合。

因此，本发明的一般目的是提供一种临界热质，用于调节MOV元件的热传递以使复合电路保护装置的PPTC元件跳变，使得在不可逆地损坏MOV元件之前有效地传递MOV元件中产生的热量以使PPTC元件跳变，而不会对PPTC元件造成不可逆的损坏。

本发明的另一目的是以有效的方式组合PPTC元件的过电流保护属性和MOV元件的过电压保护属性，在包括用于隔离PPTC元件和MOV元件及用于调节从MOV元件到PPTC元件热传递的热质材料的单个复合电路保护装置中，协同实现两种保护元件的全部优点。

本发明的又一目的是提供一种复合电路保护装置，它包括用于以克服现有技术限制和缺陷的方式将PPTC电阻器的主表面和MOV元件的面对主表面电耦合和热耦合的热质材料。

根据本发明的原理，复合电路保护装置包括：PPTC电阻元件，具有第一和第二平的主表面，在第一平的主表面处形成并与之紧密电接触的第一电极，及在第二平的主表面处形成并之其紧密电接触的第二电极；MOV元件，具有第三和第四平的主电极表面；预定形状和厚度的热质材料，形成并占据隔离PPTC和MOV的空间和用于连接第二电极与第三平的主电极表面的连接器元件；在第一电极处的装置第一端子连接；以及在第四平的主电极表面处的装置第二端子连接。

在一个方面，本发明包括二端子装置，其中，在另一方面，本发明包括三端子装置，其中第三端子设立在连接器元件处。

在一个相关方面，热质材料是金属板或焊锡材料或也形成连接器元件的连接器引线。作为备选的方案，隔离物元件可环绕导电或不导电环氧树脂隔离物材料或与其协作。热质材料的厚度优选地在0.28毫米(0.011英寸)到2.8毫米(0.11英寸)范围。

通过考虑结合附图提供的优选实施例详细说明，将更全面的理解和意识到本发明的这些和其它目的、优点、方面和特性。

附图说明

本发明通过附图进行说明，其中，图1是根据本发明原理，包括电耦合和热耦合到平面MOV元件的平面PPTC电阻器元件的复合二端子电路保护装置的电路示意图。

图2是根据本发明原理，包括电耦合和热耦合到平面MOV元件的平面PPTC电阻器元件的复合三端子电路保护装置的电路示意图，该保护装置被连接在经受过电压/过电流源和事件的电路装置内并在其中工作。

图3是示出与MOV元件主表面直接热接触的平面PPTC元件的侧视图的放大概念图，说明了PPTC元件热区朝向MOV的位移和随后对PPTC元件造成不可逆损坏的可能性。

图4是示出根据本发明原理在平面PPTC元件与MOV元件主表面之间的金属热质材料(隔离物元件)的侧视图和垂直部分的放大结构图。

图5是示出根据本发明原理在平面PPTC元件与MOV元件主表面之间的展平连接引线和焊料填充物的侧视图和垂直部分的放大结构图。

图5A是根据本发明原理，类似于图5中所示的复合装置侧视图和垂直部分的放大结构图，其中，连接引线已展平成锥形。

图6是示出根据本发明原理在平面PPTC元件与MOV元件主表面之间形成间隙的不导电隔离物的侧视图的放大概念图，间隙的外围区域填充有导电材料。

图7A、图7B、图7C和图7D示出本发明的实际实施例的放大底部、侧面、顶部和边缘结构视图。

具体实施方式

根据本发明的原理，图1的电路示意图示出二端子电路保护装置10。复合装置10包括平面PPTC电阻器元件12和平面MOV元件14。根据本发明的原理，PPTC元件12和MOV元件14串联电连接，并且还经中间热质13热连接在一起。二端子复合装置10具有第一装置连接器引线或焊盘16和第二装置连接器引线或焊盘18。复合装置10旨在充当并联保护电路，其引线16连接到电源导线，以及引线18连接到回路或接地导线。通常，二端子装置10在诸如电动机浪涌保护、电源插座电源板或控制系统等工业应用中用于确保符合诸如Underwriter Laboratories Standard No.UL 1449等各种工业和管制标准所需的过电流/过电压情况。

复合三端子电路保护装置11在图2电路示意图中示出，并且包括连接到诸如电信中央办公设施的电池电源电压13等电源的电源输入引线16，用于将PPTC元件和MOV元件的共同电节点连接到诸如电信电路或设备等电力负载15的输入端的电源输出引线17，以及连接到电源13与电力负载15回路这两者的回路引线18。在其它方面，装置11基本上与图1的装置10相同。图2还包括诸如来自闪电的交流电、AC感应或短路等过电压/过电流源19和由通常打开的开关21图示的间歇源。通常，保护装置11是静态的并且在对电源13和电力负载15电透明，PPTC元件12提供在引线16与17之间极低的串联电阻，MOV元件14提供引线17与18之间极高的并联电阻。然而，在源19/开关21引起过电压/过电流情况时，MOV元件14极快地反应以限制使负载15达到额定最大电压电平。在限制电压中，MOV元件14产生大量的热，这些热以受控的方式经热质13传递到PPTC元件12以便加快在MOV元件损坏之前到高阻抗状态的跳变，从而不会使PPTC元件由于过快接收太多热量而损坏。三端子装置11很适合电信应用中的组合过电流和过电压保护，符合诸如UL 60950、TIA-968-A、ITU-T K.20/K.21等标准和类似标准，或跳变指示器特征可在第三连接器引线17处被感测并用于控制指示器或警报的工业应用。本领域的技术人员将容易理解，取决于特定的电路应用，图1的并联电路保护装置10可替代为图2的三端子串联电路保护装置11。

再看图3结构视图，复合电路保护装置60示出在无保护性热质13的情况下，放置PPTC元件12与MOV元件14直接热接触引起的问题。在图3示范性装置60中，平面PPTC元件12包括在常规PPTC结构布置中为连接引线16提供连接区的顶部箔层22、底部箔层24和夹在顶部层22与底部层24之间的PPTC材料层26。底部箔层24直接固定到例如通过在陶瓷MOV14的主面34上打印和烧结而形成的玻璃银抬升的高地(plateau)连接区域32。(类似的高地区域36在MOV的相对主面38上存在，并为连接引线18提供连接区域。)在额定工作条件下，由虚线28所示的热区在与箔层22和24等距的PPTC材料层26中存在。然而，当跨装置的端子16和18出现过电压条件时，MOV 14以其膝点电压特性运行，并开始吸收大量的电能，并将吸收的电能转化为热能。此热能直接传递到PPTC元件12，并使热区向MOV元件14移动，如虚线28A(在线28下)所示。由于热区现在靠近更低的箔24，因此，PPTC元件的电压击穿已降低，使得PPTC元件12可能发生不可逆的故障。在热区如虚线28A所示向箔电极24偏移的此示例中，碳化导电材料圆弧轨迹的弧线化和产生可在PPTC聚合物层26中形成，导致PPTC元件12和复合装置60发生不可逆的故障。图3因此示出从MOV元件14到PPTC元件12的最佳或最大热传递产生了不令人满意的采用一个或多个PPTC电阻器元件的复合电路保护装置的原因。

另一方面，如果PPTC元件12未充分热耦合到MOV元件14，则在PPTC元件12由于过电流在内部加热而跳变前，MOV元件14可能容易过热并发生故障，从而导致MOV元件14发生不可逆的故障及图1复合二端子保护装置10或图2复合三端子保护装置11随后发生故障。

在创造本发明的过程中，我们发现，必须相对于表征MOV元件响应高电压瞬变情况的温度时间曲线，调节或控制到平面PPTC元件的热传递。我们还发现，通过在平面PPTC元件12与平面MOV元件14之间的空间提供热质13(热质13包括传热材料)，可按以下方式调节和控制从MOV元件14到PPTC元件12的热传递：使足量的热能能够传递到PPTC元件而不会过度地使PPTC元件的热区变形并且不会使MOV元件发生不可逆的故障，使得复合装置10或11将在通过工业电路保护标准、特别是在高电压电信领域方面表现良好。

热质的厚度取决于所使用的材料类型、热质材料的导热性和装置的配置。厚度是适应不均匀性和不同形状的平均厚度，例如，锥形。通常，热质具有0.013到6.35毫米(0.0005到0.25英寸)的厚度，优选为0.025到5.1毫米(0.001到0.2英寸)，特别是0.025到5.1毫米(0.001到0.2英寸)，尤其是0.25到1.3mm(0.01到0.05英寸)。已准备好在MOV的平均厚度为9.5到10.1毫米(0.37到0.40英寸)时有用的装置，但也可使用其它MOV厚度。

在图4、图5、图5A、图6和图7A、图7B、图7C及图7D中，与图3相比基本上未变化的元件具有与图3中提供的相同标号。图4示出一个装置40，其中，热质包括用于分隔PPTC元件12与MOV元件14的金属隔离物42。

图5示出一种装置44，其中，热质13包括连接器引线17的展平桨状(paddle)部分17A和环展平桨状部分17的焊锡填料46。图5A示出一种装置44A，其中，连接器引线17具有通过模压或压制而略呈锥形的末端17B，使得PPTC元件12以相对于MOV元件14的一个小角度来安装。图5A示出两个元件12和14无需如图5的示例中所示情况一样完全共面。在图5和图5A的情况中，本领域的技术人员会理解，形成隔离物的焊丝端头可展平，或者通过使用或不使用模压或展平，它可形成产生所需隔离物的另一适合形状，如锯齿形、挂钩形、环形或其它适合形状。

图6示出一种装置48，其中，通过粘接块或颗粒(dot)50的放置和热硫化，PPTC元件12可远离MOV元件14。中央隔离物材料50可导热或不导热和/或导电或不导电。焊环52环绕中央间隔物颗粒52，并包括提供PPTC元件12和MOV元件14的面对的主表面之间的受控热耦合及电连接的热质13。

正如本领域的技术人员将容易理解和意识到的一样，本发明的二端子和三端子复合电路保护装置可用连接器引线和保护涂层组成，或者用于直接表面安装。

包括装置40、44、44A、48的一连串复合保护装置被组装在一起。一些但非全部的装置通常根据本发明的原理，并且包括PPTC芯片12、热质13和MOV片14。例如，通过组合大小大约为5.5毫米乘5.5毫米乘2.2毫米的PPTC元件12、厚度约为0.29毫米(0.0115英寸)的金属间隔物元件42及圆盘直径为10毫米、厚度为1.3毫米的MOV引线圆盘元件14，可组装装置40。所使用的PPTC元件12标称上额定用于60伏的最大工作电压、250伏的最大跳变电压及3安培的最大跳变电流。所使用的MOV元件14标称上额定在270伏DC(最大175VAC)、455VDC的最大限制(clamping)电压、1750安培的浪涌电流(8×20μs)及0.25瓦的额定功率。包括装置40的装置随后进行了测试，包括在UL60950电信标准覆盖的测试电流范围内的600伏/5安培/5秒测试。根据本发明原理的装置通过了此测试而未发生不可逆的故障，而优化用于热传递(图3)或未经热耦合的装置未通过此测试。下表列出根据图3、图4、图5、图5A和图6，并且无热耦合的装置示例的测试结果。

表

  间隔厚度  间隔材料  结果  图3，无间隔(直接PPTC-MOV接触)  无  施加3-5A范围短路电流时的PPTC芯片圆弧轨迹  图4：0.29毫米(0.0115英寸)  金属板  未观察到故障  图5A：0.28-0.51毫米(0.011-0.020英寸)  模压(锥形)引线  未观察到故障  图6：2.42毫米(0.0953  环氧树脂颗粒，不导  未观察到故障

  英寸)  电Epibond 7275粘结剂^*，焊锡填料  图6：2.61毫米(0.103英寸)  环氧树脂颗粒，Epibond 7275粘结剂^*，焊锡填料  未观察到故障  现有技术：2个单独的装置  空气  施加0.5-4.5范围的短路电流时MOV损坏(短路)

^*Epibond 7275是一种不导电表面贴装胶，可从Alpha Metals(一家Cookson公司)得到。

图7A、图7B、图7C和图7D示出了采用本发明原理的实际装置。其中，复合三端子电路保护装置特别适合在电信领域中使用。装置70包括PPTC元件12和MOV元件14。在PPTC元件12与MOV元件14之间形成间隔物。虽然间隔物可能根据图4或图6的教导，但优选地，根据图5A的教导，间隔物采用略呈锥形连接引线的形式。由镀锡#24规格铜线形成的端子引线16、17和18使复合装置能被连接以保护电信设备。MOV元件14优选为薄陶瓷圆盘，包括外径大约为10毫米(0.39英寸)和厚度大约1.3毫米的氧化锌。PPTC元件12通常是正方形或略呈锥状的箱形(例如5.5毫米乘5.5毫米乘2.2毫米)，通常由PPTC和箔电极层的夹板压制而成，具有在MOV圆盘直径范围内的侧面尺寸。复合装置70具有大约6毫米(0.24英寸)的厚度。在端子引线16与17之间的PPTC元件12具有例如60VDC的额定操作电压、250V AC RMS的故障电压和3A RMS3的中断或跳变电流。在端子上线17与18之间的MOV元件14具有例如175V RMS的标称AC额定电压。端子引线17具有已展平或模压到预定最佳厚度的末端17B，通常略呈锥形，并且形成初始间隔物以在PPTC元件12与MOV元件14之间提供最佳间隔。

在装置70组装期间，PTC元件12和MOV元件14配有连接器引线16和18，这些引线在远端通过例如纸带共同接合在一起，由此通过轻微的弹性偏置力将两个元件固定在一起。连接器17的锥形桨状末端17B随后插入PPTC元件12与MOV元件14之间以形成间隔物。复合装置70随后涂上焊剂并放置在焊料槽中，使得焊料46流入PPTC元件12与MOV元件之间、未被如图7B的X射线侧视图所示的连接引线17的展平间隔物部分17B占据的空间。展平间隔物部分17B和焊料区域46的组合在两个保护元件12与14之间提供临界受控导热性以及提供在其之间的电连接，由此克服了参照图3示例50所述的缺陷和上面讨论的低效热耦合的缺陷。在最终组装和测试后，可为复合保护装置70配以通常为离散PPTC装置和MOV装置提供的保护性塑料或环氧树脂涂层。此外，例如，引线16、17和18可形成如图7B和图7D所示的有秩序(in-line)排列，并与制造过程中使用的纸带隔开。

根据本发明的装置通过了600伏/5安培/5秒测试。然而，取决于特定电路条件，此类装置可在多种不同电压和电流条件下使用，例如250到600伏和0.5到40A。

在如此描述本发明优选实施例后，现在将意识到本发明的目的已充分实现，并且本领域的技术人员会理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可对本发明的结构和大量不同的实施例以及应用方面进行许多改变。因此，本文的公开内容和描述只是解释性的，而并无任何限制意义。