基于温升及电流承载能力的端子连接器选型研究

刘世艳

（广东省高能效压缩机技术研发企业重点实验室，广东 佛山 528333）

工业领域的端子连接器因其具备可分离接触面可拆卸、维修的功能在强电应用和信号应用两大模块得到广泛的应用。目前在空调压缩机领域，端子连接器通过连接电机引线和压缩机上壳体接线柱，在两个组件之间形成了导电的路径，压缩机的市场需求随着空调的需求逐年增长，目前在空调压缩机行业，定速压缩机主要采用压接式（Crimping）端子连接器，变频压缩机主要采用刺破式（IDC）端子连接器，而每一台压缩机需配备三个端子连接器。故在空调压缩机领域端子连接器有着巨大的市场。

但目前端子连接器的选型及应用，主要由端子连接器厂家根据压缩机设计电流推荐，压缩机厂家再通过实验手段对选型后的端子连接器进行评价。一方面，端子连接器厂家推荐产品可能有冗余浪费；另一方面，随着压缩机应用场景多样化，仅通过部分试验的验证，难以满足应用市场对压缩机可靠性越来越高的要求。

结合上述需求，本文基于压缩机电流承载能力的要求，结合端子连接器自身的体积电阻及接触电阻，依据超温准则及毫伏电压降进行端子连接器选型分析。希望为端子连接器的选型提供一套有效的理论支撑。

1 端子连接器体积电阻及接触界面

空调压缩机用端子连接器包括两个连接界面，即与电机引出线铆接的永久连接界面和与公端子（上壳体接线柱）配合的可分离接触面。其中可分离界面需要端子间的正压力和镀层来维护。端子表面镀层用于优化接触界面，目前端子常用的镀层包括金、锡、银。镍镀层常被用作上述镀层的打底层。

1.1 端子连接器的体积电阻

端子连接器设计及选型时，基材和形状作为主要的设计部分。而体积电阻率是由承载电流部分基材的材料特性和几何形状决定。在给定电流的情况下，体积电阻决定了端子的温升及毫伏电压降。本文中体积电阻通过简化为下式进行计算。

其中：R是电阻，单位Ω；ρ是材料的电阻率；l为矩形块在电流流向上的长度；w、t分别为材料的宽度和厚度。

由式（1）可知，如需降低端子连接器的体积电阻可通过使用具有较高电阻率的材料、增加端子设计的横截面积或改变零件的几何形状以减短电流路径实现。

1.2 端子连接器的接触界面

端子连接器的接触界面包含两种，一种是永久性连接界面，压接、焊接都属于该一类别的界面。可分离性连接界面是我们使用端子连接器的理由，这样便于产品组装、升级及售后维修。同时，由于连接器接触面的可分离性，要求连接后在一定的插拔次数下产品不能出现失效。

永久性连接界面的载流能力要求：对于IDC 刺破式连接，要依据0.1 ℃温度准则来确定产品寿命终止时的正压力；对于压接类的端子，其承载电流的能力要与连接电线的能力相匹配。

可分离的接触界面的选型是基于端子连接器寿命终止时的要求来进行的。在确认初始压力时，需要考虑端子材料的应力松弛因素。可分离的接触界面选型时需要考虑应用要求、端子镀层、超高温准则以及公母端子配合的正压力。

其中，应用要求包括电流承载能力、冲击电流和过载电流需求、工作条件。其中接触界面的电流承载能力应符合或高于体电阻电流的承载能力。接触界面会快速响应冲击电流和过载电流。过高的冲击电流或过载电流会导致接触界面出现超温，从而导致接触界面的永久性失效。端子连接器在广泛的领域得以应用，不同的应用领域工作条件差异大，故在制定测试程序来验证接触面的稳定性时，必须考虑端子连接器的工作温度、插拔耐久性及是否盐雾潮湿等。

端子连接器在压缩机领域用于强电环境。其镀层选择主要为镍打底的锡镀层。锡镀层的主要失效机制为微动腐蚀。公端子和母端子通过过盈配合实现机械连接，故对于插拔次数有明确限制。同时，因为锡镀层表面易形成导电能力差的氧化层，公端子与母端子配合时需要足够大的插入力来破坏表面的氧化层。形成配合后的界面由于微动原因再发生氧化的现象即为微动腐蚀。

超温准则是基于接触界面在微观上为凹凸不平的表面，其接触面面积小，单个接触点对电流的反应较为迅速。当接触点的温度高于材料的熔点时，接触界面将永久失效，会导致接触界面的电阻增加。超高温不能测量，但可以通过毫伏电压降进行计算。

其中：VC是接触界面的电压；L是Lorzen 常数，2.4×10-8V2/K2；TB为端子的初始温度；ΔTS为超温温升。

其中：R0是室温时的接触电阻；Rhot为高温时的接触电阻；α 是镀层的温度系数，镍镀层4×10-3℃-1；ΔT接触面的温度差与室温的温度差。

在端子初始温度为27 ℃时，镀层温度系数为4×10-3℃-1，电流、接触电阻和超温温升（ΔT）之间的关系曲线如图1 所示。

图1 电流、接触电阻及超温温升关系图［2］

图1 包含了0.1 ℃、1.0 ℃、10 ℃的超温温升曲线，其所对应的分别为2.32 mv、7.33 mv 和22.80 mv的设计电压IR0，其中I为直流电流额定电流值或交流额定值的峰值。

在强电应用中，建议的接触界面承载电流的设计准则为1.0 ℃的超温准则，在产品寿命终止时验收标准则基于10 ℃超温温升。

接触界面的超温失效包括两类：一种是超温温升（1.0 ℃或10 ℃），这个是一直存在于接触界面的温升；另一种是超温熔融，超温熔融限制了端子瞬间冲击电流（持续时间小于几十毫秒）和过载电流能力。接触界面的小凸点会对极短持续时间的电流产生反应，但不会对毫秒时间内的电流产生反应。

过载电流（持续数十秒以上的电流），可能会受到超温准则的限制或体电阻温升的限制，这取决于电流的大小。过载电流预期是由体积电阻温升进行限制，因为数秒的持续时间足以使体积电阻的温度上升。在这种情况下，过载电流的限制参数将是连接器所产生的温升后的总温度不能超过应用所允许的最大工作温度。当然，这个过载电流值可以远高于连续电流的额定值，因为其持续时间仅几秒钟，其所产生的温升还不足以诱发端子本身的失效机制。

瞬间冲击电流的限制参数是接触界面的超温熔融，超温不允许达到接触界面材料的熔点。这就意味着接触界面承受瞬间冲击能力的决定因素为电镀层材料。常见镀层材料对冲击电流极限值见表1。表中I为冲击电流；R25为室温时的集中电阻。

表1 常见镀层承受瞬间冲击电流的极限值［1］ mv

1.3 端子配合区正压力

公端子与母端子接触界面的正压力决定了其表面接触电阻，而表面接触电阻受到1.0 ℃超温温升准则限制。图2 提供了常用镀层材料的接触电阻和正压力的经验数据。

公端子和母端子的配合，可以通过单个接触点实现，也可通过多个接触点实现。由图2 所示，在实际应用场景中，当接触电阻小于0.5 mΩ 时，正压力大于4.9 N，建议采用多个接触点减少界面受力。多触点的接触电阻将通过接触电阻的并联实现，假定每个接触点的正压力是相同的，那么一个具有三个接触点的端子其整体接触电阻为单个端子电阻值的三分之一。多触点配合的方法，可有效降低端子正压力的要求，接触点的接触应力和磨损也会有效降低，端子插拔力性能也可得以改进。

图2 常用镀层材料的接触电阻和正压力［2］

基于端子寿命的要求，端子设计时从超温准则得出的正压力目标值应该为端子寿命终止时的需求。而端子正压力的设计不仅要满足正压力需求，也要考虑端子的插拔耐久性。因为端子正压力的初始值虽然降低了接触电阻，但也降低了端子的插拔寿命，从而导致端子在多次插拔后出现更高的接触电阻。因此初始正压力需要从两个方面进行设计优化：一是端子寿命终止时对正压力和接触电阻的要求；二是正压力对端子插拔耐久性的影响。插拔耐久性要求正压力引起的接触界面的磨损不能出现露出底层和基材。

表2 为端子常见镀层正压力和插拔耐久性关系，可知：在相同正压力下，镀层金的插拔耐久性优于银镀层和锡镀层，银镀层和锡镀层插拔耐久性相当。同时，随着正压力增加，金银锡三种镀层的允许插拔循环次数均呈下降趋势。

表2 常见镀层的正压力与插拔耐久性［1］

端子在初始应力设计时，还需考虑基材的应力松弛。应力松弛是材料本身的特性，随着时间和温度的变化材料本身的应力逐渐减少的一种现象。其重要的影响因素为时间及温度。端子连接器常用的铜合金基材中黄铜抗应力松弛特性最差，磷铜次之，铍铜最优。其应力松弛随温度的变化如图3 所示（105 ℃）。

图4 为不同基材根据10 年使用寿命，且寿命终止时4.02 N 正压力的初始正压力要求：由图4 可知，常用的端子基材中，黄铜的应力松弛较磷铜和铍铜更为敏感。

图3 常用铜合金应力松弛随时间变化［2-3］

图4 常用铜合金基材10 年寿命初始正压力［2-3］

案例分析：

结合上述分析进行如下端子选型设计：假设使用原材料为磷青铜，表面镍打底后再镀锡，要求其连续的工作电流为DC-20A，使用时的冲击电流为150 A，工作环境温度为105 ℃，允许进行25 次的插拔循环。

由上可知，当该端子处于寿命终止时，对于20 A 的额定电流，接触电阻应小于0.26 mΩ，且这个接触电阻对于150 A 的冲击电流是安全的（0.26 mΩ＜0.39 mΩ）。

4）正压力（Fn）确认：由图2 可知，对于镍底镀锡的端子，当只有1 个触点时，0.26 mΩ 对应的正压力为2 000 gf，一个触点的端子不合适；

当有两个触点时，Fn=350 gf，对应单个触点接触电阻为0.52 mΩ；

当有4 个触点时，Fn=0.931 N，对应单个触点接触电阻为1.04 mΩ。

5）由图3 可知，对于磷青铜，工作在105 ℃条件下，10 年后应力松弛40%，剩余应力为60%。

两个触点的初始正压力为：350/0.6=5.71 N；

四个触点的初始正压力为：96/0.6=1.57 N；

6）插拔循环次数（插拔耐久性）。

由表2 可知，当只有一个触点时，正压力大于19.6 N，插拔耐久次数小于1 次；当有两个触点时，正压力为5.71 N，插拔次数小于10 次；当有四个触点时，正压力为1.57 N，插拔次数在25 到50 次间。由上可知，在上述要求下，仅四个触点的端子满足使用要求。

2 端子体电阻额定电流的确认

就端子的材料及几何尺寸所能承载的额定电流进行确认，其主要通过端子的温升及毫伏电压降进行评估。

端子在给定电流下的温升除了与周围环境的对流系数有关外，与端子本身的电阻和散热能力有关，也就是端子的导热率和电阻率相关。美国工业标准EIA RS-214 将带绝缘层的铜线额定电流、温升和横截面积联系，绘制了图5 的关系图［5］。此图用于确定铜导线的额定电流。端子连接器额定电流则通过等效面积理论与相同铜导线额定电流相关联。

等效理论是通过将端子材料和尺寸转换成另一种材料的等效尺寸，以保证端子在转变前后具有相同的热行为（温升和导热），从而确认端子达到电流额定目标值（给定温升条件）。该理论可将任何材料的端子都与EIA RS-214 标准中的铜导线材料关联［4］。等效理论中端子设计的几何因素与材料属性（X表示设计材料）和等效铜导线（Cu）的关系如下：

式中：l=长度，w=宽度，t=材料厚度；

k=导热率；p=电阻率。

几何因子是铜导线或端子的长度l与横截面积wt的比值，这些因子乘以铜导线和端子材料各自的电阻率，就得到电阻值，即：

由式（9）可知在端子电阻给定的条件下，端子设计的几个因子表达式如下：

在端子设计长度与铜线长度相同时，即l相同时，等效传导理论方程将铜导线和端子的横截面面积与材料导热/导电性能之间的关系简化如式（10）及式（11）。

图5 纯铜承载电流与温升及横截面积关系图［2］

图6 纯铜英制面积和电流之间的函数关系［2］

图6 将图5 转换了一种表达形式，给出了英制面积和电流之间的函数关系。经计算，当允许温升分别为11 K、18 K、30 K 及50 K 时的电流计算公式如下，其中A为公制面积，单位为mm2：

3 结语

端子连接器失效主要受电流引起的温升、插拔耐久性及基材应力松弛等影响。本文通过超温准则及插拔耐久性对端子镀层进行选型，通过应力松弛、体积电阻率和导热率对端子连接器基材进行选型。端子插拔耐久性及等效面积理论研究端子连接器的承载电流能力或基于电流承载能力对端子连接器进行设计选型，上述理论可对端子连接器选型提供理论支撑。