Zabezpieczenie przeciw niestabilności cieplnej

Co rozumiemy przez niestabilność cieplną (ang. thermal runaway) lub uszkodzenie termiczne półprzewodników o wysokiej mocy? Termin niestabilności cieplnej odnosi się do przegrzewania się urządzenia technicznego wywołanego samowzmacniającym się procesem generującym ciepło. Takie uszkodzenie zazwyczaj powoduje zniszczenie urządzenia, a często prowadzi też do pożaru lub wybuchu.

Przyczyny

Przyczyny niestabilności cieplnej są różnorodne i często występują losowo. Jednakże coraz wyższa gęstość mocy okablowania urządzeń elektrycznych i tendencja do miniaturyzacji są wątpienia bardzo istotne. Do kompaktowych modułów pakuje się coraz więcej funkcji, które wymagają również odpowiednio większego zużycia energii. Nawet odrobinę nadmierne wartości prądu w elektronice energetycznej, przy małych stratach mocy, prowadzą do podniesienia temperatury do około 200°C, a możliwe skutki to uszkodzenie lub odłączenie otaczających urządzenie komponentów, uszkodzenie struktury płytki obwodu drukowanego lub - w najgorszym wypadku - wywołanie pożaru.

Narastanie

W podłączonych do systemu półprzewodnikach o dużej mocy (np. MOS) opór transmisyjny źródła zwiększa się wraz ze wzrostem temperatur, co powoduje zwiększenie strat mocy w warstwie zaporowej. Jeśli elementy nie będą schładzane w odpowiedni sposób – chłodzenie umożliwia wysoka gęstość mocy – efekt strat mocy w postaci ciepła nie będzie się odpowiednio rozpraszał, co spowoduje wzrost oporu transmisyjnego. Zjawisko to eskaluje i ostatecznie prowadzi do zniszczenia komponentu.

© Schurter

Jak chronić się przed zwarciami?

Chłodzenie systemowe musi rozpraszać co najmniej tyle ciepła, ile jest wytwarzane. Przetężenie w czasie niestabilności cieplnej jest zbyt niskie by wywołać reakcję konwencjonalnego bezpiecznika miniaturowego. Teoretycznie można zastosować wyłączniki termiczne lub bezpiecznik PTC, jednak produkty dostępne do montażu płytki obwodu drukowanego SMD są zbyt skomplikowane lub kompletnie nie nadają się do tego celu.

Rozwiązanie Firma SCHURTER zaprojektowała i stworzyła bezpieczniki termiczne SMD o najniższym możliwym oporze wewnętrznym, przeznaczone do zastosowania w elektronice energetycznej o najwyższej gęstości mocy. Można je lutować przepływowo przy maksymalnej temperaturze 260°C, bez ryzyka ich uruchomienia. Temperatura pracy, która wywoła ich uruchomienie to około 210°C. Odpowiada to zakresowi temperatur przekraczającemu normalny zakres dla komponentów, pozostając jednak poniżej limitu temperatur, wywołujących poważne błędy. Bezpiecznik uruchamia się przy lub bez przepływu prądu, w zależności od temperatury. Nieodwracalne bezpieczniki termiczne są odporne na uszkodzenia mechaniczne, wibracje, uderzenia termiczne, cykle temperaturowe i wilgoć. Zostały one dopuszczone do użytku w oparciu o AEC-Q200

© Schurter

1/ Początek podgrzewania: zwiększa się dostarczana elektrycznie energia.

2/ Wydajność chłodzenia systemu jest wystarczająca. Rozproszeniu ulega więcej energii niż jest dostarczane.

3/ Niestabilność cieplna: rozproszeniu ulega mniej energii niż jest dostarczane.