二級(jí)保護(hù)器件協(xié)助功率系統(tǒng)防止熱失控引起的損壞

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)熱元件常常可以在諸如機(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常快就出現(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