宇航用某新型膜式熔断器应用验证方法设计与实现

丁丽娜,孙 明,张洪伟,刘 辉,彭昌文

(1.中国空间技术研究院宇航物资保障事业部,北京100029;2.中国振华集团云科电子有限公司,贵州贵阳550018)

宇航用元器件是航天系统极其重要的组成部分,元器件的可靠性直接影响着航天系统甚至整个航天工程的成败。熔断器作为一种电路保护关键元件,广泛应用在航天系统设计中,可用于短路和过载的保护设备[1-2],如接收机、电源电路和PCU等关键单机系统中,一般工作在长期连续工作模式下,对电路系统可靠性起着极其重要的作用。熔断器的失效可能导致整个被保护系统的失效,可能会造成系统工程巨大的风险与损失,这些都对熔断器的应用可靠性提出了更高的要求。新型膜式熔断器(以下简称 “熔断器”)是某型号急需选用,拟功能替代国外某型宇航用高可靠熔断器,其价格昂贵、技术受限又面临巨大禁运风险。由于国内外基础工业存在差异,新型熔断器在熔断机构和灭弧材料等方面进行了极大的工艺调整,对新型熔断器的应用验证评价也显得尤为重要。

宇航元器件应用验证(以下简称 “应用验证”)是指对元器件在宇航工程应用前开展一系列的试验、分析、评估和综合评价等工作,以确定元器件研制成熟度和在宇航工程应用适用度,并综合分析评价得出可用度[3]。为确定熔断器的功能性能及应用特性在宇航工程应用中的适用性及可靠性,熔断器在宇航工程应用前需针对产品功能、性能及应用特点分析设计一系列的方法、试验、分析、评估和综合评价等活动,综合应用验证结果给出熔断器宇航可用度结论,评价结果可有效指导宇航工程应用。

1 熔断机理及可靠性分析

熔断器的结构与材料决定其存在一定的电阻特性,由电能转化的热能可使熔断器整体的温度上升。当正常工作电流或允许的过载电流流过时,产生的热量通过熔断机构、端头、壳体表面向周围环境辐射,通过对流、传导等方式散发的热量与产生的热量逐渐达到平衡。如果产生的热量大于散发的热量,多余的热量就逐渐积聚在熔断体上,使熔断体温度上升,当温度达到或超过熔断体的熔点时,就使得熔断体融化,熔断而切断电流,起到安全保护电路的作用。

熔断器产生的热量会遵循上述Q=I2Rt公式,制作熔体的材料及设计构造直接决定了电阻R值(若不考虑它的电阻温度系数)。当电流流过时会发热,随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度,熔体的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度。熔断器的能量平衡关系可用简化公式(1)来表达:

式中:m为熔断器的质量;Cp为比热或热容系数;T为温度;t为时间;为升温速率,I2R为电转化为热能的速率。这只是一个简化的式子,因为熔断器并非由单一的材料组成,而且材料的物性亦是温度的函数。根据负载电流的大小分成三种情况考虑[4]。

1.1 正常或稳定的状态

当电流低于使熔断器达到熔断温度所需的电流时,可承受适度的温度上升,此时必然有一个温度点使电热速度等于散热速度,即达到热平衡,这个温度点就是熔断器在该电流下的温升,熔断器表面温升越小,熔断器工作寿命越长。

1.2 适度的过载

当电流高于熔断器熔断所需的值时,熔断器开始发热,温度试图上升到能量平衡公式的值,但电热速度大于散热速度,熔断器先熔断,而后电流中止,在0.1 s到4 h或更长时间后,熔断器中止过流,这是对过载的正常响应。一般用户正常应用在这个范围内。在这个范围内着重关注的是熔断的一致性和稳定性。

1.3 高过载

当电流大大高于熔断器额定电流值时,熔断器很快达到熔点,以至于没时间通过传导、对流或辐射来散热,在这种情况下,消耗的电功率等于熔断器融化所需要的能量(融化热能值),这一系统被称为绝热系统(没有热损失)。该状态主要针对电路中有瞬间脉冲浪涌时,用户在选择熔断器时,应注意电路中最大脉冲浪涌能量应低于熔断器熔断所需能量,保证在对特大的短路电流时电路不会发生 “无故开路”的情况。一般在这种状态下确定融化热能值,从而选择适合的产品。

宇航小型膜式熔断器主要固有失效模式为 “该断时不断”、“不该断时断开”、“无故开路”,这主要与熔断体膜层质量、熔断器冷态阻值控制、内部焊接质量以及引出端镀层处理质量有关。结合上述熔断特性分析及熔断器固有失效模式,在宇航工程应用前,需开展针对熔断器的快速熔断特性、抗瞬态浪涌特性、熔断体耐久性及并联应用特性等特性进行应用验证分析及评价。

2 快速熔断特性验证方法

当熔断器在适度过载的状态下,要求熔断机制在要求的熔断时间内熔断。避免发生 “该断时不断”的失效模式。熔断器作为保护类元件,熔断过程如图1所示,熔断器的动作时间为预飞弧时间和飞弧时间之和,在飞弧过程中如果出现连续拉弧,那么其熔断时间一致性会受到影响,另外由于连续拉弧,在单位面积上产品所受到的冲击能量大大提高,可能会导致产品断开、飞溅等不安全因素出现,从而导致设备事故,评估抑制飞弧能力的稳定性与一致性是衡量熔断器是否可靠工作的重要标准。

图1 熔断过程示意图Fig.1 The fuse breaking process

应用验证试验是在原有鉴定及周期试验的基础上,结合产品特性及用户实际应用需要,在多种额定倍数(2.2In、 2.5In、 4In、 6In、 8In、 10In)下的熔断时间及最大分段电流值的测试,熔断时间及最大分段电流值取多组样品抽样的极端值,以代表最不理想的特性分布,依据测试数据绘制常温下熔断特性曲线(I-t、I-I2t及t-I2t曲线)。熔断时间随电流的变化曲线,最大分段电流随时间和温度的变化曲线,可以保证电路设计中设计者明确熔断器的退化或熔断器失效时产生的强大电流,及在不同输入电流和不同温度应力条件下,熔断器可承受的电路中的最大分段电流的不同承受能力。

以宇航用某型国产熔断器为试验样本,对试验数据进行数据处理可以获得电流-时间曲线即I-t特性曲线如图2所示,融化热能值-时间曲线即I2t-t特性曲线如图3所示。试验数据可作为航天型号用户在进行电路设计及应用时的指导。

图2 I-t特性曲线图Fig.2 Change curves of I-t

图3 I2t-t曲线图Fig.3 Change curves of I2t-t

3 抗瞬态浪涌特性验证方法

一般在实际电子线路中,熔断器会遇到 “冲击电流”、 “起动/开关电流”、 “浪涌电流”、 “瞬变值”等脉冲电流的冲击,即是熔断器高过载状态。电脉冲产生的热量会影响熔断器熔断体的材料特性疲劳,故会直接影响熔断体的寿命。针对应用可靠性需求,要求熔断器的温升在高过载状态下不能过大导致 “不该熔断时熔断”。发生熔断器 “无故开路”失效模式,主要是由于用户未能提前了解到熔断器的耐脉冲特性能力,未在电路设计考虑相应能量余量造成的,因此造成熔断器 “无故开路”。针对熔断器实际使用过程中会因电路中的脉冲冲击导致熔断器的性能参数退化或失效,通过设计应用验证方法,进一步评价熔断器在应用时最严酷电脉冲条件下熔断器抗脉冲电流的能力。

抗脉冲电流冲击验证时,在室温下用方波脉冲对样品进行脉冲电流冲击。脉冲电流的选取应结合宇航工程应用实际情况及熔断器最大电流分段能力I2t,脉冲峰值电流为200%额定电流,脉冲宽度为200 ms,周期为10 s,步进次数为5000次,试验时监测熔断器冷态电阻变化率。在步进条件为截止条件时或50%熔断器样品电阻变化率超过10%时试验截止,通过该方法可有效评价熔断器耐脉冲电流冲击的能力。宇航用国产某型额定电流为1 A和5 A熔断器样本抗瞬态浪涌极限能力见图4所示。

图4 抗瞬态浪涌极限能力Fig.4 Tolerance limit capacity of instantaneous pulse

4 熔断体耐久性验证方法

应用时熔断器最常表现为正常或稳定的状态。熔断器的熔体对温度较为敏感,在一定高温长时间的作用下,它的熔点及阻抗将发生变化,这种变化会影响熔断器的准确性。这就是通常说的熔断器老化。老化的熔断器可靠性将大大降低,所以在使用前应对熔断器温升特性进行验证分析及可靠性评价。

依据熔断器特性及应用情况分析,设计测试电路图并开发熔断体功能测试板。验证系统框图见图5所示,熔断器耐久性验证装置见图6所示。在热循环的环境条件下进行熔断器耐久性验证试验。试验时要求环境温度为板级温度循环试验条件-35℃～+70℃,累计热循环25.5次,每个温度段停留4 h,同时对熔断器通以100%额定电流1 h,后切断电流15 min,循环重复100周期的冲击试验。检测热循环试验中在高低温段测量熔断器的U(电压降),要求U不应大于原始U0的10%,并对试验前后熔断器的熔断特性进行比对分析[5]。某型熔断器熔断体耐久性验证试验数据见表1。

图5 验证系统框图Fig.5 Block diagram of verification system

图6 熔断器耐久性验证装置Fig.6 Verification device fordurability of the fuse

5 并联应用特性验证方法

熔断器在应用时常需要2～4只并联的应用方式以解决电源电路的大电流保护的问题。在并联应用时需要每个独立熔断分支具有相近的熔断特性,熔断特性的差异主要来源于熔断器冷态电阻的差异,熔断器的冷态阻值主要表现在熔断体上,熔体的形成需要进行印刷才能形成,为验证印刷后阻值的均匀性和熔断时间一致性是否满足航天型号并联应用的需求,设计了熔断器并联应用特性的验证方法。

表1 熔断器耐久性验证试验数据Tab.1 Verification date fordurability of the fuse

基于SCHURTER公司熔断器板级并联布局情况,结合航天型号并联应用需求,以单个SCHURTER公司熔断器布局关键指标测试为依据,调整国产熔断器在航天型号应用中的板级布局,达到与SCHURTER公司熔断器并联使用相同的使用效果,指导用户使用。典型的 SCHURTER公司PCB版图设计见图7。

并联应用验证分两部分:

1)验证熔断器并联扩容时,选取匹配的熔断器最高和最低电阻值相差控制在±1%之内的可行性。选取个体匹配的熔断器,要求匹配的熔断器在同一批次产品中选取(相同的额定电压和相同的额定电流);选取匹配的熔断器的最高和最低电阻值相差控制在±1%之内,此电阻值是老炼后测得的值。将匹配的熔断器焊接在四联装板上,单个熔断器焊接在单个焊装板上。分别通250%,400%及600%的额定电流值做过载熔断试验,记录熔断时间,并和单个熔断器的熔断时间作比较。四联装与单个熔断器(极限熔断值)I-t曲线比较图见图8。

图7 并联设计版图Fig.7 Layout of parallel design

图8 I-t曲线比较Fig.8 Comparison of change curves of I-t

2)验证熔断器并联时是否适合采用SCHURTER公司熔断器的并联版图设计方案。选取最高和最低电阻值相差控制在±1%内的样品,焊接在图7所示四联装PCB板上。在常压和真空(低于6.65×10-3Pa)下分别通50%,60%,70%,80%,90%及100%额定电流值电流,记录如图9～12所示的测试板正面及反面位置的国产与进口熔断器温升比对。

图9 常压环境正面温升对比Fig.9 Temperature rise comparison under constant pressure on the front of test board

图10 常压环境反面温升对比Fig.10 Temperature rise comparison under constant pressure on the back of test board

图11 真空环境熔断器正面温升对比Fig.11 Temperature rise comparison under vacuum condition on the front of test board

图12 真空环境熔断器反面温升对比Fig.12 Temperature rise comparison under vacuum condition on the back of test board

通过并联应用特性验证方法,可对熔断器冷态电阻等关键参数的一致性情况进行评价,最高和最低值相差控制在±1%时,可采用SCHURTER公司熔断器板级并联布局,可满足在航天型号中实现并联应用的需求。

6 结论

通过应用验证技术,可对宇航用新型膜式熔断器研制成熟度和应用适用度进行评价,并综合分析评价结果,得出熔断器宇航可用度。应用验证方法结合熔断器特性和宇航工程应用需求,通过验证试验及数据分析最终评价了其在宇航工程应用中的适用性及可靠性,该验证方法已广泛应用于航天元器件质量保证工作中,已作为指导航天工程重大型号选型及应用的重要参考依据。后续大量的工程试验数据也可作为该方法有效性及普适性的支撑与反馈。