电路板及电子元件火灾危险性研究

吕 忠，阳世群，高 鹏

(应急管理部四川消防研究所，四川 成都 610036)

0 引言

电路板[1]是现代家用电器中不可或缺的重要部件，特别是近年来随着智能家居概念的提出，电路板作为无线通信、智能控制、交直变换[2-4]等的主要载体，更为广泛地应用到家用电器中。家庭中常见的笔记本、电视、空调等电器设备内部均由电路板进行控制。由于电路板内部铜箔、焊盘和电子元件在工作时均存在电压和电流，如果电路板设计不合理以及电子元件内部存在缺陷等，极易引发局部过热及电弧，部分电子元件甚至发生爆炸燃烧，进而引发电气设备火灾。

现阶段针对电气故障引发火灾的研究主要集中于220 V交流电气线路[5]，对电路板的火灾危险性研究尚不够深入，主要集中在单一电子元件。张颖等[6-7]研究了金属膜电阻和电容的火灾危险性，以及铝电解电容火灾危险性和痕迹特征。针对现有研究的不足，笔者介绍现阶段各类典型电子元件的工作原理，分析各类电子元件的火灾危险性，并在此基础上研究电路板火灾隐患，为预防电路板火灾事故提供依据。

1 电子元件火灾危险性

在电路板中电阻器、电容器、电感器、晶体管等应用最为广泛，以下针对上述电子元件进行分析。

1.1 电阻器

电阻器是在电路中产生阻碍电流作用的元件，在电路板中金属膜电阻迄今为止应用较为广泛，如图1所示。金属膜电阻是采用高温真空镀膜技术，将镍铬或类似的合金紧密附在瓷棒表面形成皮膜，经过切割调试阻值，以达到最终要求的精密阻值，然后加适当接头切割，并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成。根据金属膜电阻的工作原理和材质，其火灾危险主要为高温过热和击穿电弧。

高温过热主要是由于在电阻选型过程中，电阻额定功率选择较小或者电路中长期处于过负载运行，根据焦耳定律，导致电阻自身产生的热量较大，造成局部高温过热。击穿电弧主要是由于电阻两端实际电压远远超过电阻本身的耐压值，击穿电阻产生放电电弧。

图1 金属膜电阻

1.2 电容器

电容器是一种容纳电荷的器件，在电子领域应用广泛，主要用于电路中的隔直通交、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制等方面。根据电容的容量、材质以及制作工艺可将电容分为铝电解电容、钽电解电容、陶瓷电容等，如图2～图4所示。以铝电解电容为例，电容内部结构主要为正极铝箔、负极(浸润电解液的纸)、正负极引线。不同类型的电容运用到不同电路板中，是电路板中不可或缺的电子元件。相较于电阻，电容是一种储能型元件，在通电情况下存储部分电能(存储电能的大小由自身容量及电压决定)。同时，一般电容的接线需区分正负极(独石电容、陶瓷电容等无极性，无需区分正负极)，因此，电容的火灾危险性较大。

图3 钽电解电容

图4 陶瓷电容

电解电容一般不会直接烧毁，产生火灾危险的主要故障是爆炸和放电，一般情况下两种故障是继发形成的。引发故障主要是因为纹波电流过大导致电容温度升高，温度升高以后电容内部压力增大，内部压力超过安全值时会把防爆阀冲开，电解液流出，电解液能导电，遇到高压会形成电流甚至放电。电容只有在发热内部压力突然增大时才会爆炸烧毁(有防爆阀的电容，防爆阀会撑开漏液，不会爆炸)，电容短路放电的时间很短，短时间的短路电流导致的热量不足以让电容发热爆炸。在高电压的作用下，电容先鼓肚，最后爆裂燃烧，因为电容击穿，整流桥过电流、烧损，历时小于10 s。

电容器因故障损坏进而发生爆炸的主要原因是：(1)由于制造质量差等原因，电容器的内部元件击穿。(2)由于套管密封不良而进入潮气，降低了绝缘电阻；由于渗、漏油，油面下降，导致对外壳放电或元件击穿。(3)内部游离和鼓肚。当电容器内部产生电晕、击穿放电和严重游离时，电容器在过电压作用下，会产生一系列物理、化学、电气效应，加速绝缘老化、分解而产生气体，形成恶性循环，以致箱壳压力增大，造成箱壁外鼓进而导致爆炸。(4)绝缘损坏，尤其是高压侧引出线制造工艺不良、边缘不平、有毛刺或严重变折时，尖端容易产生电晕，电晕使油分解、箱壳膨胀、油面下降而造成元件击穿。此外，在封盖时如果转角处烧焊时间过长，破坏了内部绝缘，降低了击穿电压，也易导致电容器损坏，进而引起爆炸事故。(5)当进行带电合闸时，在合闸的瞬间，电压极性可能与电容器残留电荷的极性相反，因而引起爆炸。(6)通风不良、温升过高、严重过电压和电压谐波分量大，也会引起爆炸。

1.3 电感器

电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的电子元件，见图5和图6。电感器有密封式和非密封式两种封装形式，两种形式又都有立式和卧式两种外形结构。电感器在电子电路中应用广泛，主要用于通直阻交，对交流信号进行隔离，滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。电感器一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、铁芯(或磁芯)等组成，其中绕组和铁芯是电感的基本组成部分。根据电感器的使用条件和内部结构，其火灾危险主要是电感线圈发热产生的局部高温。

电感器产生局部高温主要是由于电感器在通电情况下自身产生的能量损耗过大，电感器的损耗主要分为铜耗(copper loss)和铁耗(core loss)两个部分。铜耗是电流流过线圈电阻后产生的损耗，该部分损耗主要由自身电阻和电流大小决定，由铜耗引起的异常发热主要是由于电流过大和自身电阻过大。因此，在使用过程中线圈内部浸漆不足引发匝间短路、长期过负荷运行、线圈制作工艺不足导致电阻增大等原因均会引起局部过热。铁耗是由磁滞损耗和涡流损耗组成，由于磁材料间绝缘阻抗很大，因此涡流损耗可以忽略不计。铁耗主要是磁滞损耗，磁滞损耗是由于线圈经过交流电时，交变电场产生的磁通是在铁芯(或磁芯)上流动的，铁芯(或磁芯)对磁通具有磁阻，就像导体对电流有电阻一样会产生热量损耗。Steinmetz磁滞损耗计算的经验公式[8]为：

图5 阻流电感器

图6 环形电感器

(1)

式中，f为工作频率；Bm为磁滞回线上磁感应强度的最大值；K1为取决于材料性质及其他有关因素的常数；η为施泰因梅茨系数，η值约在1.5～2.5之间。

从经验公式可以得出，铁耗主要是由电感材料及电流的工作频率大小决定，由铁耗引起的异常发热主要是由于电流频率远大于电感额定工作频率以及铁芯材料制作工艺不足。

1.4 晶体管

晶体管是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用晶体管材料特殊电特性来完成特定功能的电子元件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。现阶段使用较为广泛的晶体管元件主要有晶体二极管、晶体三极管(双极型晶体管)、场效应晶体管、晶闸管等，如图7～图10所示。每种晶体管又根据制作工艺、适用范围等分为若干种类。由于材料和使用条件的特点，一般来说由晶体管元件产生的火灾危险主要分为局部高温和爆炸。

图7 二极管

图8 三极管

图9 场效应晶体管

图10 晶闸管

晶体管元件产生局部高温的主要原因为耗散功率过大，耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。硅管的结温允许值大约为150 ℃，锗管的结温允许值为85 ℃左右。当晶体管产生的结温超过其允许温度时，晶体管内部将因过载而产生损坏，进而导致继生故障。产生耗散功率过大主要是由于电路板设计不合理或者晶体管选型不合理，导致其长期处于过负载运行。晶体管元件产生爆炸的主要原因为晶体管在过压、浪涌电流、反向连接等条件下，产生瞬时高温或电弧，造成击穿。

2 电路板火灾隐患

由于各类电路板使用功能和设计原理有所不同，因此，电路板火灾隐患分析相较于电子元件更为复杂。电路板存在的火灾隐患主要包括以下几个方面：

2.1 电路板中元件质量缺陷

在电路板中，如果元件存在质量缺陷，即使在额定范围内使用，也会造成元件失效或发热异常。使用劣质元件更易发生击穿，甚至导致电路板发生短路引发火灾。

2.2 电路板中存在虚焊、焊错、焊反

虚焊直接导致焊盘和元件引脚之间接触不良，引起接触电阻过大或产生电弧，造成局部高温，长时间运行增加火灾隐患。焊错是元件焊接错误，导致元件无法工作甚至直接短路，引发火灾。焊反是将带有极性的元件引脚焊反，特别是有极性的电容，焊反通电后直接引发电容爆炸，火灾危险性极高。

2.3 电路板设计不合理

电路板设计不合理主要包括电路板元器件选型不合理和排布不合理。选型不合理主要是选择额定容量和额定耐压远小于实际工作电压，导致元件长期处于过负荷运行，增加火灾隐患。排布不合理主要是元件排布时未考虑元件的发热量，将发热量大的元件排布在同一区域，造成该区域长期处于局部高温状态，增加火灾隐患。同时，排布不合理还表现在铜箔走线宽度过窄，导致铜箔长期处于过电流状态。

2.4 电路板使用环境恶劣

电路板长期处于化学、震动、高尘、盐雾、潮湿与高温等环境下工作，易产生腐蚀、软化、变形、霉变等问题，导致电路出现短路、接触不良和绝缘击穿等故障，增加电路板火灾危险性。

2.5 电路板老化

电路板长期通电工作，超过设计寿命，电路板上的一些元件参数会随着使用时间的改变而发生变化，可能导致部分元件自身发热增加，甚至是失效短路，增大电路板火灾危险性。

2.6 供电质量恶劣

外部供电长期出现过压、欠压、浪涌电流时，超过电路板额定工作范围，会加速电路板元件的损害，严重时会造成短路击穿等故障，引发电路板火灾。

3 充电器电路板引发火灾的原因

不同功能不同类型的电路板，其设计原理也不尽相同，所以针对某一类电路板，需要结合其线路结构和使用功能具体分析其火灾隐患。以下以常见的充电器电路板为例，介绍其工作原理并分析其引发火灾的原因。

随着电动自行车的大规模使用，其火灾事故也与日俱增，而我国80%以上的电动车火灾发生在充电过程中[9]。这一方面是由于电池质量存在缺陷，另一方面是由于使用劣质充电器充电。使用劣质充电器充电主要存在两大隐患，首先劣质充电器由于输出电压和电流不满足标准，导致电池出现过充引发火灾；其次劣质充电器在充电时发热过高，自身引发火灾。

3.1 充电器电路板工作原理

充电电路本质上是将220 V交流电通过整流滤波电路转换为可供电池充电的直流电，现在普遍使用的是三段式充电方案，即恒流充电、恒压充电、浮充充电。充电器电路板的主要元件包括整流桥、电流控制型脉宽调制芯片、晶闸管、运算放大器、可调电阻、光耦合器、变压器等，如图11所示。其工作原理为：首先将220 V交流电通过整流桥转变为直流电；其次经过变压器降压到可供电池充电的电压范围；再次利用运算放大比较电路比较充电电压与电池电压的压差，通过光耦合器反馈至一次侧，由电流控制型脉宽调制芯片调节输出电压，最终达到三段式智能充电的目的。

图11 充电器电路板

3.2 充电器电路板引发火灾的原因

根据充电器电路板的线路结构，充电器电路板可能引发火灾的原因有以下几点：

3.2.1 电路板散热不良。电路板在正常工作时，特别是前期恒流充电，充电电流较大，导致晶闸管和三极管产生的热量较大，如果不及时排出热量，会造成该类型元件产生局部高温，严重时引发火灾。造成电路板散热不良的原因主要有散热风扇未正常工作、晶体管背部散热片与晶体管分离、充电器排风口有遮挡等。

3.2.2 光耦合器失效。光耦合器是充电电路中反馈电路的重要一环，一旦出现故障，无法及时反馈充电电池的电压，导致电路板长期处于恒流充电阶段，最终充电电池出现过充故障，引发电池燃烧，造成火灾事故。

3.2.3 可调电阻松动。可调电阻在充电线路中的作用是通过调节电阻改变输出电压值，在充电器出厂时已经根据额定输出电压调节完成。在日常使用中，电路板产生振动、碰撞或其他机械运动均可能导致可调电阻偏移，如果可调电阻出现偏移，可能会导致输出电压偏高，造成过压充电故障，引发电池燃烧，造成火灾事故。

4 结语

本文通过对各类常见电子元件的结构和工作原理进行分析，总结了各类电子元件的火灾危险性。同时，分析了电路板存在的共性火灾隐患，并以常见的充电器电路板为例，结合该类型电路板的结构和工作原理，探讨其引发火灾的原因，为分析其他电路板提供参考。