Um eine immer höhere Leistungsdichte zu erreichen, sind bei der aktuellen Fahrzeug-Elektronik immer mehr Komponenten und Funktionen auf engstem Raum unterzubringen. So entstehen leistungsfähige Anwendungen mit geringen Abmessungen, die jedoch die Gefahr des thermischen Durchgehens mit sich bringen. Thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) nennt sich die Überhitzung eines Systems 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 lässt sich bei unzureichender Kühlung nicht mehr vollständig abführen und erhöht so wiederum den Durchlasswiderstand, wodurch der Prozess sich innerhalb kürzester Zeit mehr und mehr aufschaukelt. Das kann dazu führen, dass ein Thermal Runaway das Bauteil beziehungsweise das ganze System zerstört und im schlimmsten Fall Brände oder Explosionen entstehen.

Ergänzung um einen Strom-Messsensor

Der RTS von Schurter verkraftet Betriebsströme bis 130 A und Nennspannungen von bis zu 60 VDC.

Der RTS von Schurter verkraftet Betriebsströme bis 130 A und Nennspannungen von bis zu 60 VDC. Schurter

Im Rahmen der Konstruktion von Baugruppen und der Auslegung von Schaltungen sollte stets die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Bauelementen Berücksichtigung finden. 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 lässt sich die dort abfallende kleine Spannung messen, um daraus die Stromstärke zu berechnen. Umso kleiner die Spannung ist, umso weniger ist der Stromkreis durch die Messeinrichtung beeinflusst. Ein Controller verarbeitet die erhobenen Messwerte, welche im Falle eines zu hohen Stroms zur Trennung des Kreises führen. Die zulässige Stromstärke ist dabei systemabhängig und lässt sich entsprechend definieren.

Kombination für ausfallsicheren Schutz

Um einen Thermal Runaway zu verhindern, bietet ein mit einem Shunt kombinierter RTS (Reflow Thermal Switch) 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. Aufgrund der Erweiterung um einen Shunt-Messwiderstand lässt sich außerdem die Höhe des durchfließenden Stroms messen und mittels Regelelektronik korrigieren.

Ist der RTS zusätzlich um eine Überstromsicherung erweitert, sind drei Funktionen in einem einzigen Refow-lötbaren SMD-Bauteil (Surface Mounted Device) im platzsparenden RTS-Gehäuse mit kleinem Footprint von 6,6 × 8,8 mm² vereint: Übertemperaturschutz, Überstromschutz und Messung der Stromstärke. Damit sinken die Kosten während die Sicherheit im Betrieb erheblich steigt.

Standardparameter

Der RTS verkraftet Betriebsströme bis 130 A und Nennspannungen von bis zu 60 VDC. Die Standardversion verfügt über einen Messsensor-Widerstand von 500 μΩ und eine Auslösetemperatur von +210 °C. Die aktuelle Auslegung des Standard-RTS mit Shunt des Herstellers Shurter ist speziell auf den Bereich der Leistungselektronik im Automotive-Bereich um 12 VDC abgestimmt und eignet sich insbesondere für Kühlgebläseanwendungen, ABS, Servolenkung, PTC-Heizungen, HVAC, Glühkerzen und Dieselheizkörper. Er ist jedoch auch in der Industrie einsetzbar, vor allem in Bereichen wie Batterie-Schutz, Netzteile, Beleuchtung von Vorschaltgeräten, H-Brücken-Schaltungen und Motorantriebe.