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Die stetig wachsende Nachfrage nach Elektronik, die sich
in anspruchsvollen Umgebungen, beispielsweise unter
der Motorhaube und in rauen industriellen Anwendungen
einsetzen lässt, steigert den Bedarf an modernen
Mate rialien und e� zienten Leistungskomponenten. Hochleistungsanwendungen
bei hohen Temperaturen stellen hohe Anforderungen
an Leistungselektroniksysteme. Das kann unter Umständen
schwerwiegende Wärmeprobleme zur Folge haben, wenn
Komponenten, wie Leistungs-Felde� ekttransitoren (Power-FETs),
Kondensatoren, Widerstände oder integrierte Schaltungen diesen
rauen Umgebungen lange ausgesetzt sind.
In Automotive-Umgebungen sind Power-FETs routinemäßig
extremen Temperaturschwankungen und hoher thermo-mechanischer
Belastung ausgesetzt. Intermittierende Kurzschlüsse, kalte
Betriebsumgebungen, hohe Lichtbögen oder Kurzschluss-Spitzen
sowie induktive Lasten und mehrere Kurzschlüsse können im Laufe
der Zeit zu Ermüdungserscheinungen des Bausteins führen. Obwohl
die Leistungsbausteine zunehmend robuster designt werden,
sind sie anfällig für Ausfälle. Diese können in der Regel sehr schnell
eintreten, wenn die Nennwerte der Leistungsbausteine überschritten
werden. Bei Überschreiten der maximalen Betriebsspannung
eines Power-FET erfolgt ein Lawinendurchbruch. Wenn die Energie
in der transienten Überspannung oberhalb der nominalen Lawinenenergie
liegt, versagt der Baustein. Dies erzeugt ein destruktives
thermisches Ereignis, das Rauch oder Flammen erzeugt oder
dazu führen kann, dass sich der Baustein selbstständig entlötet.
Problem: Schwachstellen in der Leistungskomponente
Ein Vergleich der Power-FET-Ausfallraten im Verlauf der Zeit
zeigt, dass Bausteine in rauen Umgebungen höhere PPM-Ausfallraten
aufweisen. Nach fünf Jahren Einsatz kann der Unterschied
größer als ein Faktor von zehn sein. Obwohl ein Power-FET anfängliche
Tests bestehen kann, ist erwiesen, dass unter bestimmten
Bedingungen zufällig verteilte Schwachstellen in der Leistungskomponente
einen Ausfall während des Einsatzes verursachen
können. Selbst in Situationen, in denen die Bausteine innerhalb
der angegebenen Betriebsbedingungen arbeiten, ließen sich zufällig
verteilte und unvorhersagbare resistive Kurzschlüsse bei unterschiedlichen
Widerstandswerten beobachten. Der Ausfall im resistiven
Modus ist besonders von Bedenken – für die Power-FETs
und die Leiterplatten. Bereits 10 Watt können eine lokalisierte
Heißstelle von mehr als 180 Grad Celsius erzeugen, was deutlich
über der typischen Glasübergangstemperatur einer Leiterplatte
von 135 Grad Celsius liegt. Das beschädigt die Epoxidstruktur der
Leiterplatte und verursacht ein thermisches Ereignis.
Bild 1: Ein Power-FET-Ausfall im resistiven Modus kann zu
unsicheren Übertemperaturzuständen führen.
Auf einen Blick
Passive und E-Mechanik
Wenn Power-FETs im Automotive ausfallen...
...entstehen dennoch keine Schäden durch thermische Instabilität. In
Automotive-Umgebungen herrschen nicht nur extrem raue Temperaturen
vor, auch die thermo-mechanische Belastung ist nicht ohne. So führen
unter anderem Kurzschlüsse, Lichtbögen oder induktive Lasten zu
Ermüdungserscheinungen im Leistungsmosfet. Und trotz robusten Designs
ist die Leistungskomponente vor Ausfällen nicht gefeit. Der RTP-
Schutzbaustein von Tyco Electronics schafft hier Abhilfe. Er sorgt dafür,
dass keine Schäden durch Voll- oder resistive Kurzschlüsse entstehen,
was dem Gesamtsystem zu Gute kommt.
infoDIREKT www.all-electronics.de 111ejl0211
Bild 1 beschreibt ein Szenario, in dem ein ausgefallener Power-
FET keinen harten kurzen Überstromzustand generiert, sondern
einen resistiven Kurzschluss. Folge: Es werden unsichere Temperaturen
durch I2R-Erwärmung erzeugt. In diesem Fall ist der resultierende
Strom unter Umständen nicht hoch genug, um eine Standardsicherung
durchzubrennen und thermische Instabilität auf
der Leiterplatte zu stoppen.
Lösungen entwickeln: Der RTP-Baustein
Aufgrund der starken Nachfrage nach einem robusten und zuverlässigen
SMD-Baustein, der thermische Schäden infolge eines Versagens
der Leistungselektronik verhindern kann, hat TE Connectivity
(ehemals Tyco Electronics) einen Re� owable-� ermal-Protection-Baustein
(RTP) entwickelt und vor kurzem in den Markt eingeführt.
Dieser sekundäre Wärmeschutzbaustein kann redundante
Power-FETs, Relais und schwere Kühlkörper ersetzen, die normalerweise
in Elektronikdesigns im Kfz- und Industriebereich zum
Einsatz kommen.
Wenn ein Leistungskomponentenversagen oder ein Leiterplattendefekt
unsichere Übertemperaturzustände erzeugt, unterbricht
der RTP-Baustein den Strom und verhindert thermische Instabilität,
die kritische Schäden verursachen kann. Die Komponente ö� -
net sich bei 200 Grad Celsius: Das liegt über den normalen Betriebstemperaturen,
aber unter den Aufschmelztemperaturen von
bleifreien Lötmitteln. Bild 2 verdeutlicht, dass der RTP-Baustein
die FET-Temperatur verfolgt und den Schaltkreis ö� net, bevor eine
langsame thermische Instabilität einen unerwünschten thermischen
Zustand auf der Leiterplatte erzeugt, wenn der Baustein in
Reihe auf der Stromleitung in der Nähe des FET integriert wird.
Bild 2: Bei einer langsamen thermischen Instabilität verfolgt der RTP200-Baustein die
Power-FET-Temperatur, bis der Baustein den Schaltkreis bei 200 Grad Celsius öffnet.
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011 65
Bilder: Tyco Electronics