二级保护器件协助功率系统防止热失控引起的损坏

我们家庭、办公室和车辆中电力电子应用的持续增长，推动着走向新材料和更高效率电源组件这一趋势的发展。高功率、高温的应用带来了对电力电子系统更大的需求，从而导致了器件因长期暴露在各种恶劣环境中出现故障而引起潜在的多种严重热问题的可能各种。因此，现在大多数工业电子和消费电子设备中采用了热保护器件，以提高可靠性和安全性。
在进行热管理设计时，由电阻和电容负荷、电力电容器、电流驱动器、开关、继电器和MOSFET所产生的热量给工程师带来了重大的挑战。这些发热元件常常可以在诸如机车牵引电动机和混合动力车辆的开关电源(SMPS)、、高压电源和开关应用中发现。
提高功率器件性能、使用更均匀散热的设计技术、采用新的散热器材料是目前已经用于增强热管理性能的一些解决方案。不过，很多设计工程师目前依赖二级保护来防止因功率器件故障或腐蚀导致发热而产生的热失控。
有一些专门设计用来在灾难性热事件中保护应用和最终用户的创新技术，可在一个功率器件被加热到其特殊的额定跳闸温度时通过中断电流。最常见的方法是使用一个热熔保险丝、热切断（TCO）或者热开关；这些器件给设计工程师在直流和交流应用中都提供了宽泛和特定的温度激活特性。它们的外观和安装包括螺栓型、夹子安装座、把引接线和引线型等格式，这些形状在设计和制造工艺引起复杂的情况，并需要小心处理程序，以保证保护器件在组装过程中不被损坏。
因为越来越多的印刷电路板(PCB)只使用表面贴装元器件 (SMD)，而使用一款通孔器件则意味着专门的安装工序和更高的成本。此外，标准器件可能无法提供工业应用所需的坚固性和可靠性；而额定能够用于汽车和工业环境的器件经过了完整的测试，以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。
一款新的表面贴装元件，即可回流焊的热保护(RTP)器件可有助于防止故障功率电子元件引起的热损坏。该器件有助于防止可由I2R发热产生意料之外高温的阻性短路所造成的损坏，以及硬短路过流情况。该器件可以使用标准的无铅回流焊工艺安装，并用于代替在汽车和工业电子设计中普遍使用的冗余各种powerFET、继电器及大规格热沉。
powerFET的二次保护
尽管各种powerFET现在越来越耐用，但是在超出其额定值后它们很容易非常快就出现故障。如果超过一款的powerFET的最大工作电压，那么它就会被雪崩击穿。如果瞬态电压所包含的能量高于额定雪崩击穿能量水平，那么该器件将损坏；并形成破坏性热事件，最终可能导致器件冒烟、起火或者脱焊。
与那些安装在相对温和应用中的器件相比，汽车和工业powerFET更容易出现疲损和故障。通过对比一段时间内的powerFET故障率数据，我们发现用于苛刻环境中的器件的ppm故障率更高。在实地使用五年后，这种差距可达10倍以上。
尽管一个powerFET 可能通过了最初测试，但是实践证明在某些条件下，该器件中的随机薄弱环节可能导致其在现场出现故障。即使powerFET在规定的工作条件中运行情况下，也报告过因电阻值变化而出现随机、不可预测的阻性短路。
阻性模式故障尤其值得关注，这不仅仅是对于 powerFET 而言，印制电路板也一样。仅 仅10W 的功率就可能产生温度在 180摄氏度以上的局部热点，远远高于135°C印制电路板的典型玻璃化转变温度，它可造成电路板的环氧结构损坏，并产生一次热事件。
图1 说明了一个出现故障的powerFET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，因此通过I2R发热造成不安全的温度。在这种情况下，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制电路板上的热失控。

图1. 阻性模式下的PowerFET故障可能形成不安全的温度情况
当某个功率器件故障或电路板缺陷形成不安全的过温情况时，一款二次保护器件将可用于中断电流，并防止一次热失控情况的发生。如图2所示，当RTP器件在FET附近的电源线上串联时，它会跟踪FET温度，并在缓慢的热失控情况在电路板上形成非期待的热情况之前断开电路。

图2. 在一次慢性热失控情况下，RTP器件会跟踪powerFET温度，直到它在200°C时断开电路。
为了使其在实际应用中于 200 °C时断开电路，RTP器件使用了一种一次性电子激活程序以使其具有热敏特征。在激活前，RTP 器件能进行三次无铅焊料回流焊而不会断开电路。进行电子激活的时机由用户决定，可在系统上电或系统测试时自动进行。
RTP器件的 200°C开路温度，可有助于防止假激活，并提高系统可靠性，因为200°C是一个高于大部分电子器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。
总结
RTP器件可以帮助设计工程师减少元器件的数量，提供一种安全和可靠的产品，符合监管机构的要求，并降低保修和维修的成本。该器件采用的SMD封装可以使其能快速容易地进行安装，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一样，一种解决方案的有效性还将依靠于其独有的布局、板型、具体元器件和独特的设计考量。
作者简介
Matt Williams先生是TE电路保护部全球应用工程经理，负责内部和OEM客户的应用支持。他在数字、模拟和射频通信领域内拥有超过26年的工程应用和半导体设计的经验。他在凤凰城理工学院获得了电气工程和电子通讯两个理学学士学位。