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防止热失控损坏系统 二级保护元件安全把关

编辑:武汉西凡谨顿科技有限公司   字号:
摘要:防止热失控损坏系统 二级保护元件安全把关
随着家庭、办公室和车辆之动力电子设备应用的持续成长,同时也推动新材料和更高效率电源元件的趋势发展。高功率、高温的应用带来对动力电子系统更大的需求,也导致元件因长期暴露在各种恶劣环境中出现故障,并引起潜在的多种严重过热问题的可能。因此,现在大多数工业电子和消费性电子装置都采用热保护元件,以提高可靠性和安全性。

在进行热管理设计时,由电阻、电感负载、功率电容、电流驱动器、开关、继电器和场效电晶体(FET)所产生的热量,为工程师带来重大的挑战。这些发热元件常常可在诸如机车牵引电动机和混合动力车的交换式电源(SMPS)、高压电源和开关应用中发现。

提高功率元件性能、使用更均匀散热的设计技术、采用新的散热片材料等趋势皆是目前已经用于提高热管理效能的一些解决方案。不过,很多设计工程师目前则依赖二级保护来防止因功率元件故障或腐蚀所导致发热而产生的热失控。

RTP元件可保护功率电子热损坏

有一些创新的技术,可用来针对灾难性的热事件保护应用装置和用户,其可在一个功率元件被加热至其特殊的额定跳闸温度时中断电流。其中,最常见的方法是使用一个热熔保险丝、热切断(Thermal Cut Off,TCO)或者热开关;这些元件为设计工程师在直流和交流应用中,提供广泛和特定的温度启动特性。其外观和安装包括螺栓型、夹子安装座、及引线型等格式,这些形状对于设计和制造工艺造成复杂性,同时须要小心地处理制造程序,以保证保护元件在组装过程中不被损坏。

由于越来越多印刷电路板(PCB)只使用表面黏着元件(SMD),使用通孔元件则意味着专门的安装程序和更高的成本。此外,标准元件可能无法提供工业应用所需的坚固性和可靠性;而经认证能够用于汽车和工业环境的元件则是经过完整的测试,可满足严格的冲击和振动规范要求,并提供合适的直流额定值。

目前有一款新的表面黏着元件,亦即可回流焊的热保护(RTP)元件,可助于防止故障功率电子元件引起的热损坏。该元件可协助防止因I2R发热特性产生的高温阻性短路造成的损坏,以及硬短路过流情况。该元件可使用标准的无铅回流焊制程安装,并可代替在汽车和工业电子设计中普遍使用的各种冗余功率场效电晶体、继电器及大量的热量感应器。

中断电流防止热失控发生

尽管各种功率场效电晶体现在越来越耐用,但是在超出其额定值后,也是很容易便出现故障。如果超过一款功率场效电晶体的最大工作电压,那么就会被雪崩电流(Avalanche Current)击穿。瞬态电压所包含的能量若高于额定雪崩击穿能量水准,该元件则将损坏,并形成破坏性热事件,最终可能导致元件冒烟、起火或者脱焊。

与那些安装在相对温和应用中的元件相比,汽车和工业功率场效电晶体更容易出现损坏和故障。透过对比一段时间内的功率场效电晶体故障率资料,可发现用于苛刻环境中的元件的百万分率故障率更高。

尽管一个功率场效电晶体可能通过最初的产品测试,但是实际使用上,在某些条件下,该元件中的随机薄弱环节可能导致其在使用中出现故障。即使功率场效电晶体在规定工作条件中运行的情况下,也发现过因电阻值变化而出现随机、不可预测的阻性短路。

有鉴于此,阻性模式故障尤其值得关注,不仅功率场效电晶体如此,印刷电路板也一样。仅仅10瓦(W)的功率就可能产生温度在180℃以上的局部热点,远远高于135℃印刷电路板的典型玻璃化转变温度,其可造成电路板的环氧结构损坏,并产生一次热事件。图1显示一个出现故障的功率场效电晶体可能并不会产生一个完全硬短路的过流情况,而是产生阻性短路,因此透过I2R发热造成不安全的温度。在此情况下,所形成的电流可能并没有高到使一个标准保险丝熔断并阻止印刷电路板上的热失控。

阻性模式下的功率场效电晶体故障,可能形成不安全的温度情况。

当某个功率元件故障或电路板缺陷形成不安全的过温情况时,一款二级保护(Secondary Protection)元件将可用于中断电流,并防止一次热失控情况的发生。当RTP元件在场效电晶体附近的电源线上串联时,其会追踪场效电晶体温度,并在热失控情况发生前断开电路。

在一次慢性热失控情况下,RTP元件会跟踪功率场效电晶体温度,直到它在200℃时断开电路。

为使其在实际应用中于200℃时断开电路,RTP元件使用一种一次性电子启动程式以使其具有热敏特征。在启动前,RTP元件能进行三次无铅焊料回流焊而不会断开电路。进行电子启动的时机由用户决定,可在系统上电或系统测试时自动进行。RTP元件的200℃开路温度,可有助于防止假启动,并提高系统可靠性,因为200℃是一个高于大部分电子元件正常工作温度范围的值,同时却又低于常见无铅焊料的熔点。

RTP元件可协助设计工程师减少元件数,并提供一种安全和可靠的产品,符合监管机构的要求,同时降低保固和维修成本。该元件采用的SMD封装可使其能快速容易进行安装,适用于业界标准的“拾-放”和无铅回流焊设备。正如任何一种电路保护解决方案般,一种解决方案的有效性还将依靠于其独有的布局、板型、具体元件和独特本地上传的设计考量。

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