用于汽车 HVAC 和冷却风扇系统的回流热保护器件分析

 

　 PowerFET 在苛刻环境中的故障

    在苛刻的汽车工作环境中，功率场效应晶体管（powerFET）常常会暴露于极端温度变化和热机应力之下。间歇短路、冷操作环境、高电弧放电或带噪声电路短路、感应负载及多重短路在经过一段时间后会造成装置疲损，使装置在开路、短路或阻性模式下出现故障。尽管现在的powerFET越来越耐用，但在苛刻的工作环境下仍容易出现故障，尤其是在超出其额定值后，它们会很快出现故障。如果电压超过 powerFET的工作电压，那么它很快就会被烧毁。如果瞬时电压所包含的能量高于额定破坏能量水平，那么装置将损坏；形成破坏性热事件，终可能导致装置冒烟、起火或脱焊。

　　实践证明，与工作环境相对温和的应用相比，汽车的 powerFET 更容易出现疲损和故障。通过对比一段时间内的powerFET故障情况，我们发现用于苛刻环境条件（比如汽车应用）下的装置的 ppm 故障率要高得多。实地使用五年后，这种差别可达 10 倍以上。

　　尽管一个powerFET可能通过了初测试，但是在某些条件下，装置中的随机薄弱环节可能导致装置在现场使用中出现故障。实践证明，即使powerFET在规定的工作条件下运行，也会在不同的电阻水平下出现随机、不可预测的阻性短路。

 

    阻性模式故障尤其值得关注，这不仅仅是相对于 powerFET而言，印制电路板也一样。仅 10W 的功率就可能产生温度在 180摄氏度以上的局部热点，远远高于印制电路板的典型玻璃化转变温度（135摄氏度），造成电路板的环氧结构损坏，并产生热事件。

图1  说明一个出现故障的powerFET可能并不会产生一个完全短路过电流条件，而是产生阻性短路，通过I2R受热形成不安全的温度条件。在这种情况下，所形成的电流可能并不是很高，不会使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条件

  

  一种新的热保护解决方案

    泰科电子的回流热保护（RTP）器件是一种耐用、可靠的表面安装热保护器，它可防止功率电子器件故障产生热损坏。这种二级热保护器件可用于代替汽车设计中常用的冗余powerFET、继电器及大规格热沉。
    

    当某功率器件故障或板缺陷形成不安全的高温条件时，RTP200 器件（在 200摄氏度打开，该温度高于正常工作度，但低于无PB焊 料回流温度）将会中断电流，阻止热失控，避免造成重大损坏。如图 2 和图 3 所示，当 RTP 装置在 FET 附近的电源线上串联时，它会跟踪 FET 温度，在缓慢的热失控在电路板上形成破坏性热条件之前断开电路。

图2：  RTP器件和powerFET在印制电路板上紧密接触，共用部分安装垫，以形成更好的导热性

 

图3： 在缓慢的热失控条件下，RTP 200器件会跟踪powerFET温度，在达到 200摄氏度时断开电路

  可靠耐用的回流热保护解决方案

    RTP 器件可帮助汽车功率电子系统（比如冷却风扇系统、ABS、电动助力转向系统、PTC 加热器等）达到可靠性要求。RTP200 器件在器件温度达到 200摄氏度时断开电路，防止假激活，提高系统可靠性。因为该温度高于大部分电子器件正常工作时的温度范围，但低于常见无铅焊料熔点。也就是说，当旁边的器件在规定温度范围内工作时，RTP200器件不会断开电路；但会在温度超过正常范围后，在器件脱焊和形成短路风险之前断开电路。为了能在实际应用中在 200 摄氏度温度条件下断开电路，RTP器件通过一种性电子激活程序获得热敏特征。在激活前，RTP 器件能进行三次无PB 焊料回流焊（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器件的热敏特征是非常有用的，因为在某些情况下故障器件并不形成完全短路过电流条件，而是形成不会导致传统保险丝熔断的阻性短路。此类事件实际上还可能降低负载电流，但仍会形成不安全的热失控条件。RTP200器件可防止完全短路和阻性短路条件造成损坏。本应用说明提供了与 RTP200R120SA器件相关的信息。我们的产品将进一步扩展（包括0.6mOhm RTP），我们将不断改进泰科电子产品提供的电路保护解决方案。