Um eine immer höhere Leistungsdichte zu erreichen, müssen bei moderner Elektronik immer mehr Komponenten und Funktionen auf engstem Raum untergebracht werden. So entstehen höchst leistungsfähige Produkte mit geringen Abmessungen, die jedoch die Gefahr des thermischen Durchgehens mit sich bringen. Von thermischem Durchgehen (engl. Thermal Runaway) spricht man bei der Überhitzung einer technischen Apparatur aufgrund von Wärme produzierenden, sich selbst verstärkenden Vorgängen. Bei einem Leistungshalbleiter wie etwa einem MOSFET erhöht sich im durchgeschalteten Zustand mit steigender Temperatur der Drain-Source-Durchlasswiderstand und führt zu einer zunehmenden Verlustleistung in der Sperrschicht. Diese in Form von Wärme abgegebene Verlustleistung kann bei unzureichender Kühlung nicht mehr vollständig abgeführt werden und erhöht so wiederum den Durchlasswiderstand, wodurch der Prozess sich innerhalb kürzester Zeit mehr und mehr aufschaukelt. Das kann dazu führen, dass das Bauteil bzw. die Apparatur zerstört wird und im schlimmsten Fall Brände oder Explosionen entstehen.
Ergänzung um einen Strom-Messsensor
Im Rahmen der Konstruktion von Baugruppen und der Auslegung von Schaltungen sollte stets die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Bauelementen mit einberechnet werden. Diese Eigenschaft zum Messen des Stromes lässt sich auch gezielt nutzen. Da ein Übertemperaturschutz nur aufgrund thermischer Bedingungen auslöst, ist es oftmals sinnvoll, eine Thermosicherung mit einem Strom-Messsensor in Form eines Shunts zu kombinieren, um auch den Stromfluss ausreichend beachten zu können. Mit Hilfe dieser Kombination ist es möglich, sowohl eine schleichende Temperaturerhöhung durch den Thermoschutz als auch eine schnell einsetzende Störung (Überstrom) mittels Shunt zu identifizieren.
Bei einem Shunt handelt es sich um einen niederohmigen Widerstand mit möglichst geringer Temperaturabhängigkeit, der ohne Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur genaue Messungen des Stromdurchflusses im Bauteil ermöglicht. An diesem Widerstand wird die dort abfallende kleine Spannung gemessen, um daraus die Stromstärke zu berechnen. Je kleiner die Spannung ist, desto weniger wird der Stromkreis durch die Messeinrichtung beeinflusst. Die erhobenen Messwerte werden durch einen Controller verarbeitet und führen im Falle eines zu hohen Stroms zur Trennung des Kreises. Die zulässige Stromstärke ist dabei systemabhängig und lässt sich entsprechend definieren.
Schlaue Kombination für ausfallsicheren Schutz
Um einen Thermal Runaway zu verhindern, bietet Schurter mit dem RTS (Reflow Thermal Switch) mit Shunt einen ausfallsicheren Schutz. Er ersetzt nicht den klassischen Überstromschutz, sondern ist vielmehr eine Ergänzung der Sicherheitskette um eine Funktionalität, die bisher durch die Schmelzsicherungen nicht gegeben war. Der RTS wird möglichst nah am zu schützenden Bauteil platziert. Sobald die Umgebungstemperatur des Leistungshalbleiters einen gewissen Schwellwert überschreitet, trennt der Thermoschutz das Bauteil vom Stromkreis. Im Falle eines thermischen Durchgehens erfolgt zudem eine galvanische Trennung. Dank der Erweiterung um einen Shunt-Messwiderstand kann außerdem die Höhe des durchfließenden Stroms gemessen und mittels Regelelektronik korrigiert werden.
Ergänzt man den RTS zusätzlich um eine Überstromsicherung, sind drei Funktionen in einem einzigen Reflow-lötbaren SMD- (Surface Mounted Device) Bauteil im platzsparenden RTS-Gehäuse mit kleinem Footprint von 6,6 mm × 8,8 mm vereint: Übertemperaturschutz, Überstromschutz und Messung der Stromstärke. Damit sinken die Kosten während die Sicherheit im Betrieb erheblich steigt.
Standardparameter und kundenspezifische Varianten
Der RTS von Schurter verkraftet Betriebsströme bis 130 A und Nenngleichspannungen von bis zu 60 V. Die Standardversion verfügt über einen Messsensor-Widerstand von 500 μΩ und eine Auslösetemperatur von 210 °C. Die aktuelle Auslegung des Standard-RTS mit Shunt ist speziell auf den Bereich der Leistungselektronik im Automotive-Bereich um 12 V abgestimmt und eignet sich insbesondere für Kühlgebläseanwendungen, ABS, Servolenkung, PTC-Heizungen, HVAC, Glühkerzen und Dieselheizkörper. Er ist jedoch auch in der Industrie einsetzbar, v.a. in Bereichen wie Batterieschutz, Netzteile, Beleuchtung von Vorschaltgeräten, H-Brücken-Schaltungen und Motorantriebe.
Für einen wirkungsvollen Schutz auch bei individuellen Bedürfnissen einer Anwendung stehen neben den Standardprodukten auch kundenspezifische Auslegungen mit angepassten Parametern, z.B. Höhe des Widerstands oder Auslösetemperatur, zur Verfügung.
Ein kleines Bauelement wie dieser RTS von Schurter kann die thermische Zerstörung verhindern, muss im Fehlerfall nicht ausgetauscht werden wie eine Schmelzsicherung und kann noch viel mehr.
Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.
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