二級保護器件協助功率系統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用的持續增長，推動著走向新材料和更高效率電源組件這一趨勢的發展。高功率、高溫的應用帶來了對電力電子系統更大的需求，從而導致了器件因長期暴露在各種惡劣環境中出現故障而引起潛在的多種嚴重熱問題的可能各種。因此，現在大多數工業電子和消費電子設備中采用了熱保護器件，以提高可靠性和安全性。
在進行熱管理設計時，由電阻和電容負荷、電力電容器、電流驅動器、開關、繼電器和MOSFET所產生的熱量給工程師帶來了重大的挑戰。這些發熱元件常常可以在諸如機車牽引電動機和混合動力車輛的開關電源(SMPS)、、高壓電源和開關應用中發現。
提高功率器件性能、使用更均勻散熱的設計技術、采用新的散熱器材料是目前已經用于增強熱管理性能的一些解決方案。不過，很多設計工程師目前依賴二級保護來防止因功率器件故障或腐蝕導致發熱而產生的熱失控。
有一些專門設計用來在災難性熱事件中保護應用和最終用戶的創新技術，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；這些器件給設計工程師在直流和交流應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，這些形狀在設計和制造工藝引起復雜的情況，并需要小心處理程序，以保證保護器件在組裝過程中不被損壞。
因為越來越多的印刷電路板(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的安裝工序和更高的成本。此外，標準器件可能無法提供工業應用所需的堅固性和可靠性；而額定能夠用于汽車和工業環境的器件經過了完整的測試，以滿足嚴格的沖擊和振動規范要求，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(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發熱產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。該器件可以使用標準的無鉛回流焊工藝安裝，并用于代替在汽車和工業電子設計中普遍使用的冗余各種powerFET、繼電器及大規格熱沉。
powerFET的二次保護
盡管各種powerFET現在越來越耐用，但是在超出其額定值后它們很容易非常快就出現故障。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，最終可能導致器件冒煙、起火或者脫焊。
與那些安裝在相對溫和應用中的器件相比，汽車和工業powerFET更容易出現疲損和故障。通過對比一段時間內的powerFET故障率數據，我們發現用于苛刻環境中的器件的ppm故障率更高。在實地使用五年后，這種差距可達10倍以上。
盡管一個powerFET 可能通過了最初測試，但是實踐證明在某些條件下，該器件中的隨機薄弱環節可能導致其在現場出現故障。即使powerFET在規定的工作條件中運行情況下，也報告過因電阻值變化而出現隨機、不可預測的阻性短路。
阻性模式故障尤其值得關注，這不僅僅是對于 powerFET 而言，印制電路板也一樣。僅 僅10W 的功率就可能產生溫度在 180攝氏度以上的局部熱點，遠遠高于135°C印制電路板的典型玻璃化轉變溫度，它可造成電路板的環氧結構損壞，并產生一次熱事件。
圖1 說明了一個出現故障的powerFET可能并不會產生一個完全硬短路的過流情況，而是產生阻性短路，因此通過I2R發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準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