防止熱失控引起的損壞的方法

我們家庭、辦公室和車輛中電力電子應(yīng)用的持續(xù)增長，推動著走向新材料和更高效率電源組件這一趨勢的發(fā)展。高功率、高溫的應(yīng)用帶來了對電力電子系統(tǒng)更大的需求，從而導(dǎo)致了器件因長期暴露在各種惡劣環(huán)境中出現(xiàn)故障而引起潛在的多種嚴(yán)重?zé)釂栴}的可能各種。因此，現(xiàn)在大多數(shù)工業(yè)電子和消費(fèi)電子設(shè)備中采用了熱保護(hù)器件，以提高可靠性和安全性。

在進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)時，由電阻和電容負(fù)荷、電力電容器、電流驅(qū)動器、開關(guān)、繼電器和MOSFET所產(chǎn)生的熱量給工程師帶來了重大的挑戰(zhàn)。這些發(fā)熱元件常?？梢栽谥T如機(jī)車牽引電動機(jī)和混合動力車輛的開關(guān)電源(SMPS)、、高壓電源和開關(guān)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)。

提高功率器件性能、使用更均勻散熱的設(shè)計(jì)技術(shù)、采用新的散熱器材料是目前已經(jīng)用于增強(qiáng)熱管理性能的一些解決方案。不過，很多設(shè)計(jì)工程師目前依賴二級保護(hù)來防止因功率器件故障或腐蝕導(dǎo)致發(fā)熱而產(chǎn)生的熱失控。

有一些專門設(shè)計(jì)用來在災(zāi)難性熱事件中保護(hù)應(yīng)用和最終用戶的創(chuàng)新技術(shù)，可在一個功率器件被加熱到其特殊的額定跳閘溫度時通過中斷電流。最常見的方法是使用一個熱熔保險絲、熱切斷（TCO）或者熱開關(guān)；這些器件給設(shè)計(jì)工程師在直流和交流應(yīng)用中都提供了寬泛和特定的溫度激活特性。它們的外觀和安裝包括螺栓型、夾子安裝座、把引接線和引線型等格式，這些形狀在設(shè)計(jì)和制造工藝引起復(fù)雜的情況，并需要小心處理程序，以保證保護(hù)器件在組裝過程中不被損壞。

因?yàn)樵絹碓蕉嗟挠∷㈦娐钒?PCB)只使用表面貼裝元器件 (SMD)，而使用一款通孔器件則意味著專門的安裝工序和更高的成本。此外，標(biāo)準(zhǔn)器件可能無法提供工業(yè)應(yīng)用所需的堅(jiān)固性和可靠性；而額定能夠用于汽車和工業(yè)環(huán)境的器件經(jīng)過了完整的測試，以滿足嚴(yán)格的沖擊和振動規(guī)范要求，并提供合適的直流額定值。

一款新的表面貼裝元件，即可回流焊的熱保護(hù)(RTP)器件可有助于防止故障功率電子元件引起的熱損壞。該器件有助于防止可由I2R發(fā)熱產(chǎn)生意料之外高溫的阻性短路所造成的損壞，以及硬短路過流情況。該器件可以使用標(biāo)準(zhǔn)的無鉛回流焊工藝安裝，并用于代替在汽車和工業(yè)電子設(shè)計(jì)中普遍使用的冗余各種powerFET、繼電器及大規(guī)格熱沉。

powerFET的二次保護(hù)

盡管各種powerFET現(xiàn)在越來越耐用，但是在超出其額定值后它們很容易非?？炀统霈F(xiàn)故障。如果超過一款的powerFET的最大工作電壓，那么它就會被雪崩擊穿。如果瞬態(tài)電壓所包含的能量高于額定雪崩擊穿能量水平，那么該器件將損壞；并形成破壞性熱事件，最終可能導(dǎo)致器件冒煙、起火或者脫焊。

與那些安裝在相對溫和應(yīng)用中的器件相比，汽車和工業(yè)powerFET更容易出現(xiàn)疲損和故障。通過對比一段時間內(nèi)的powerFET故障率數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)用于苛刻環(huán)境中的器件的ppm故障率更高。在實(shí)地使用五年后，這種差距可達(dá)10倍以上。

盡管一個powerFET 可能通過了最初測試，但是實(shí)踐證明在某些條件下，該器件中的隨機(jī)薄弱環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致其在現(xiàn)場出現(xiàn)故障。即使powerFET在規(guī)定的工作條件中運(yùn)行情況下，也報告過因電阻值變化而出現(xiàn)隨機(jī)、不可預(yù)測的阻性短路。

阻性模式故障尤其值得關(guān)注，這不僅僅是對于 powerFET 而言，印制電路板也一樣。僅 僅10W 的功率就可能產(chǎn)生溫度在 180攝氏度以上的局部熱點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于135°C印制電路板的典型玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，它可造成電路板的環(huán)氧結(jié)構(gòu)損壞，并產(chǎn)生一次熱事件。

圖1 說明了一個出現(xiàn)故障的powerFET可能并不會產(chǎn)生一個完全硬短路的過流情況，而是產(chǎn)生阻性短路，因此通過I2R發(fā)熱造成不安全的溫度。在這種情況下，所形成的電流可能并沒有高到使一個標(biāo)準(zhǔn)保險絲熔斷并阻止印制電路板上的熱失控。

圖1. 阻性模式下的PowerFET故障可能形成不安全的溫度情況

當(dāng)某個功率器件故障或電路板缺陷形成不安全的過溫情況時，一款二次保護(hù)器件將可用于中斷電流，并防止一次熱失控情況的發(fā)生。如圖2所示，當(dāng)RTP器件在FET附近的電源線上串聯(lián)時，它會跟蹤FET溫度，并在緩慢的熱失控情況在電路板上形成非期待的熱情況之前斷開電路。

圖2. 在一次慢性熱失控情況下，RTP器件會跟蹤powerFET溫度，直到它在200°C時斷開電路。

為了使其在實(shí)際應(yīng)用中于 200 °C時斷開電路，RTP器件使用了一種一次性電子激活程序以使其具有熱敏特征。在激活前，RTP 器件能進(jìn)行三次無鉛焊料回流焊而不會斷開電路。進(jìn)行電子激活的時機(jī)由用戶決定，可在系統(tǒng)上電或系統(tǒng)測試時自動進(jìn)行。

RTP器件的 200°C開路溫度，可有助于防止假激活，并提高系統(tǒng)可靠性，因?yàn)?00°C是一個高于大部分電子器件正常工作溫度范圍的值，同時卻又低于常見無鉛焊料的熔點(diǎn)。

總結(jié)

RTP器件可以幫助設(shè)計(jì)工程師減少元器件的數(shù)量，提供一種安全和可靠的產(chǎn)品，符合監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求，并降低保修和維修的成本。該器件采用的SMD封裝可以使其能快速容易地進(jìn)行安裝，適用于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的“拾-放”和無鉛回流焊設(shè)備。正如任何一種電路保護(hù)解決方案一樣，一種解決方案的有效性還將依靠于其獨(dú)有的布局、板型、具體元器件和獨(dú)特的設(shè)計(jì)考量。