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(zhǎng)，推動(dòng)著走向新材料和更高效率電源組件這一趨勢(shì)的發(fā)展。高功率、高溫的應(yīng)用帶來(lái)了對(duì)電力電子系統(tǒng)更大的需求，從而導(dǎo)致了器件因長(zhǎng)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?wèn)題的可能各種。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(shí)，由電阻和電容負(fù)荷、電力電容器、電流驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)、繼電器和MOSFET所產(chǎn)生的熱量給工程師帶來(lái)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(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力車輛的開(kāi)關(guān)電源(SMPS)、、高壓電源和開(kāi)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(guò)，很多設(shè)計(jì)工程師目前依賴二級(jí)保護(hù)來(lái)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(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)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(gè)功率器件被加熱到其特殊的額定跳閘溫度時(shí)通過(guò)中斷電流。最常見(jiàn)的方法是使用一個(gè)熱熔保險(xiǎn)絲、熱切斷（TCO）或者熱開(kāi)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(guò)程中不被損壞。

因?yàn)樵絹?lái)越多的印刷電路板(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(mén)的安裝工序和更高的成本。此外，標(biāo)準(zhǔn)器件可能無(wú)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(guò)了完整的測(cè)試，以滿足嚴(yán)格的沖擊和振動(dòng)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(guò)流情況。該器件可以使用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)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(lái)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(guò)一款的powerFET的最大工作電壓，那么它就會(huì)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(duì)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(guò)對(duì)比一段時(shí)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(gè)powerFET 可能通過(guò)了最初測(cè)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(chǎng)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(bào)告過(guò)因電阻值變化而出現(xiàn)隨機(jī)、不可預(yù)測(cè)的阻性短路。

阻性模式故障尤其值得關(guān)注，這不僅僅是對(duì)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(shuō)明了一個(gè)出現(xiàn)故障的powerFET可能并不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完全硬短路的過(guò)流情況，而是產(chǎn)生阻性短路，因此通過(guò)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(méi)有高到使一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)保險(xiǎn)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(gè)功率器件故障或電路板缺陷形成不安全的過(guò)溫情況時(shí)，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(shí)，它會(huì)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(kāi)電路。

圖2. 在一次慢性熱失控情況下，RTP器件會(huì)跟蹤powerFET溫度，直到它在200°C時(shí)斷開(kāi)電路。

為了使其在實(shí)際應(yīng)用中于 200 °C時(shí)斷開(kāi)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(wú)鉛焊料回流焊而不會(huì)斷開(kāi)電路。進(jìn)行電子激活的時(shí)機(jī)由用戶決定，可在系統(tǒng)上電或系統(tǒng)測(cè)試時(shí)自動(dòng)進(jìn)行。

RTP器件的 200°C開(kāi)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(gè)高于大部分電子器件正常工作溫度范圍的值，同時(shí)卻又低于常見(jiàn)無(wú)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(wú)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。