Сенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрикСенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрик
электромеханические, электронные и системные компоненты
(812) 441-36-38; (495) 755-93-29
 
Найти:    
Наши публикации

Сергей Белых
bsv@konkurel.ru

Тепловая защита силовых полупроводниковых приборов

Сергей Белых

В настоящей статье описывается новый инновационный элемент тепловой защиты силовых полупроводниковых приборов, разработанный специалистами компании Tyco Electronics / Raychem Circuit Protection. А также рассматриваются вопросы практического применения этого элемента на примере тепловой защиты силовых MOSFET-транзисторов в автоэлектронике. Кроме этого новый элемент может использоваться для защиты тиристоров, мощных светодиодов, силовых конденсаторов и т.п.

Отказы силовых MOSFET-транзисторов при жестких условиях эксплуатации

В жестких условиях эксплуатации, которым подвержена автомобильная электроника, силовые MOSFET-транзисторы благодаря широким колебаниям температуры окружающей среды подвергаются сильнейшим термомеханическим напряжениям и колебаниям электрических характеристик. Индуктивные нагрузки, многочисленные короткие замыкания, минусовые температуры электронных узлов и электрические дуги, в течение продолжительного времени, могут вызвать отказ транзистора и перевести его в состояние короткого замыкания, пробоя или в состояние с некоторым остаточным сопротивлением.

Современные технологии производства силовых MOSFET-транзисторов постепенно устраняют влияние описанных выше явлений. Единственные отказы с которыми неспособна бороться технология это отказы связанные с несоблюдением режимов работы транзисторов. Если превысить максимальное рабочее напряжение MOSFET-транзистора, то произойдет лавинный пробой. Если энергия импульса перенапряжения выше номинального энергетического уровня лавинного пробоя, транзистор откажет. При этом может произойти задымление, возгорание или оплавление контактов устройства.

MOSFET-транзисторы для автомобильной электроники более склонны к отказам, чем транзисторы используемые в менее требовательной аппаратуре. Сравнивая показатели интенсивности отказов после пяти лет эксплуатации MOSFET-транзисторов в автомобильной и других отраслях можно увидеть, что показатели отличаются более чем в десять раз.

Даже после предварительного тестирования параметров транзисторов и соблюдения всех режимов работы остается вероятность случайных воздействий, которые могут привести к отказу. К тому же не следует исключать процессы естественного старения полупроводникового кристалла транзистора, что тоже приводит к отказам.

Наиболее опасны, и тем самым наиболее интересны, отказы связанные с уменьшением сопротивления между выводами полупроводниковых приборов. Поскольку в результате таких отказов повреждается не только сам транзистор, но и печатная плата на которую он установлен. Всего 10Вт рассеянной мощности может нагреть точечную область печатной платы до температуры свыше 180° С, что намного больше температуры плавления стекловолокна типовой печатной платы - 135° С. Это приводит к повреждению структуры платы с возможным обугливанием и возгоранием.

Рисунок 1 описывает сценарий, в котором силовой MOSFET-транзистор не переходит в состояние короткого замыкания достаточное для срабатывания плавкого предохранителя, а находится в состоянии сниженного (конечного) сопротивления. В этом случае резко увеличивается рассеиваемая транзистором мощность IІR, а следовательно, и температура его корпуса.

Рисунок 1. Отказ силового MOSFET-транзистора с переходом его в состояние конечного сопротивления, что может привести к небезопасному перегреву.

Новое инновационное устройство тепловой защиты

Инновационный элемент тепловой защиты, разработанный компанией Tyco Electronics / Raychem Circuit Protection, получил обозначение RTP (Reflowable Thermal Protection). Он представляет собой устройство тепловой защиты, устанавливаемое на печатную плату вблизи защищаемого силового компонента. При этом его можно использовать для замены часто применяемых в автоэлектронике избыточных электрических цепей контроля температуры, которые включают в себя дополнительные транзисторы, реле и охладители.

Если отказ силового компонента или дефект печатной платы приводят к перегреву свыше 200°С (для устройства RTP200), то произойдет срабатывание тепловой защиты и защищаемая цепь разомкнется. Это обезопасит контакты силового компонента от оплавления (температура плавления безсвинцовых припоев 260°С) и предотвратит возгорание и обугливание печатной платы.

Как показано на Рисунках 2 и 3, при последовательном соединении элемента RTP200 и MOSFET-транзистора с силовой линией, а также при близком расположении их друг к другу, RTP200 отслеживает температуру корпуса транзистора и разрывает силовую цепь при температуре своего корпуса 200°С.

Рисунок 2. Пример размещения элемента RTP и MOSFET-транзистора близко друг к другу.


Рисунок 3. График прогрева элемента RTP от транзистора. При этом по достижении элементом RTP температуры 200°С происходит разрыв электрической цепи и остывание компонентов.


Этот элемент тепловой защиты можно использовать для контроля температуры любых силовых компонентов, будь-то, тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором, мощные светодиоды, силовые конденсаторы и т.п. Типовыми областями применения RTP200 могут быть источники питания, контроллеры управления электродвигателями, нагревателями и т.д.

Конструкция и характеристики элемента RTP200

К этому моменту у любознательного читателя мог возникнуть вопрос: Каким образом элемент RTP200 остается в закрытом состоянии после пайки на печатную плату при температуре 260°С, если температура открытия (срабатывания) элемента 200°С?

Для того чтобы процесс пайки не вызвал срабатывание RTP200 используется специальная перемычка. При этом после пайки, для того чтобы перевести элемент в рабочее состояние необходимо эту перемычку пережечь. Для этого используется дополнительный вывод ARM (Рисунок 4). Если между выводами ARM и Pth в течение нескольких долей секунд подать постоянный ток величиной 2...5А перемычка окажется разрушенной, при этом сопротивление между этими выводами возрастет до величины свыше 10кОм, а элемент RTP200 перейдет в рабочее состояние.

Рисунок 4. Общий вид, схема включения и электрическая схема внутренностей элемента RTP.


В таблицах 1, 2 и 3 представлены основные технические характеристики элемента RTP200. Размеры контактных площадок и распиновка выводов приведены на Рисунке 5.

Таблица 1. Максимальные рабочие характеристики элемента RTP.


Таблица 2. Номинальные рабочие характеристики элемента RTP.


Таблица 3. Режим "прожига перемычки" элемента RTP.
Рисунок 5. Распиновка и размеры контактных площадок элемента RTP.


Рекомендации по монтажу RTP200


Теплопроводность между элементом RTP и источником тепла сильно зависит от их взаимного расположения на печатной плате, конструкции теплоотвода, структуры печатной платы и от расположения близлежащих компонентов.

Рисунок 6. Рекомендации по проектированию печатной платы на стеклотекстолите FR4.


При использовании печатной платы на основе ламината FR4 необходимо обеспечить близкий тепловой контакт с источником тепла. Вывод Pth элемента RTP должен располагаться совместно с силовым выводом защищаемого компонента на общем медном проводнике. Рекомендации по разработке печатной платы для оптимальной теплопроводности между компонентами приведены на Рисунке 6 и являются таковыми:
  • Контактная площадка вывода Pth должна располагаться как можно ближе к теплоотводу силового компонента;
  • Контактная площадка вывода Pth должна быть соединена с теплоотводом силового компонента толстым и широким медным проводником;
  • Под контактными площадками элемента RTP не должны располагаться медные слои. По возможности все дорожки нужно размещать как можно дальше от элемента защиты, поскольку это уменьшит влияние на элемент паразитной температуры;
  • Дорожки и медные поверхности верхнего слоя печатной платы нужно также размещать как можно дальше от элемента RTP.


Рисунок 7. Рекомендации по проектированию печатной платы на алюминиевой подложке.


На печатных платах с алюминиевым основанием, распространение тепла улучшено. Поэтому расстояние между источником тепла и элементом RTP может быть до 10см, как показано на Рисунке 7.


Рисунок 8. Работа элемента RTP на подложке из алюминия.


Рисунок 8 иллюстрирует работу элемента RTP на печатной плате с алюминиевым основанием и расположением на расстоянии 10см от MOSFET-транзистора. Тепловой градиент между компонентами приблизительно 40°С, даже при расстоянии 10см между ними.


Выводы

Инновационный элемент RTP помогает увеличить надежность автомобильных электронных систем, управляющих различными силовыми нагрузками, такими как электродвигатели, катушки индуктивности, нагреватели и т.п.

Существующее устройство RTP200 срабатывает при температуре 200°С и предотвращает оплавление контактов силовых компонентов и разрушение печатной платы.

В отличие от плавких предохранителей и другой защиты реагирующей только на короткие замыкания элемент RTP способен защитить от последствий пограничных состояний силовых компонентов, которые приводят к увеличенному потреблению тока и повышенному тепловыделению.

Области применения устройства RTP никак не ограничиваются автоэлектроникой и могут быть распространены на все силовую аппаратуру используемую в промышленности.

Все вышесказанное описывает существующий элемент RTP200R120SA. В будущем планируется расширение линейки этих элементов.


Konkur Electric
197342, г. Санкт-Петербург,
Белоостровская, д. 28, офис 428

105484, г. Москва,
ул. 16-я Парковая, д.21,
корп.1, офис 413
Copyright © ЗАО «Конкур электрик» - электромеханические, электронные и системные компоненты, термопринтеры, сенсорные экраны, touch screen
Частичное или полное копирование материала, размещенного на сайте, без согласия ЗАО «Конкур электрик» запрещено.
Поиск электронных компонентов
Поиск электронных компонентов