Überhitzung vermeiden Schutz vor thermischem Durchgehen

Ein zentrales Merkmal moderner Elektronik ist ihre enorm hohe Leistungsdichte. Immer mehr Komponenten und Funktionen müssen auf möglichst geringem Raum untergebracht werden. Das führt zu besonders leistungsfähigen Produkten mit geringen Abmessungen, birgt aber andererseits auch ein nicht unerhebliches Gefahrenpotenzial in sich: das thermische Durchgehen.

Thermisches Durchgehen (engl.: thermal runaway) bezeichnet die Überhitzung einer technischen Apparatur aufgrund eines sich selbst verstärkenden, Wärme produzierenden Prozesses. Diese Schädigung bewirkt in der Regel die Zerstörung des Geräts oder Bauteils und führt oft zu Bränden oder Explosionen.

Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Bauelementen muss bei der Konstruktion von Baugruppen und der Auslegung von Schaltungen immer einkalkuliert werden. Diese Eigenschaft zum Messen des Stromes lässt sich auch gezielt nutzen. Da ein Übertemperaturschutz üblicherweise allein aufgrund thermischer Bedingungen auslöst und dabei den Stromfluss größtenteils unbeachtet lässt, ist es oft sinnvoll, einen Übertemperaturschutz mit einem Strommesssensor in Form eines Shunts zu kombinieren.

Dadurch wird sowohl eine schnell einsetzende Störung wie Überstrom mittels Shunt, wie auch eine schleichende Temperaturerhöhung durch den Thermoschutz, erkannt und unterbrochen. Der Shunt, ein niederohmiger Widerstand mit möglichst geringer Temperaturabhängigkeit, lässt – unabhängig von der Umgebungstemperatur – präzise Messungen des das Bauteil durchfließenden Stroms zu.

Thermoschutz mit Shunt

Das Schweizer Unternehmen Schurter hat einen solchen Thermoschutz mit Shunt, den RTS (Reflowable Thermal Switch), entwickelt. Bei der Standardversion des RTS mit Shunt beträgt der Widerstand des Messsensors 500 µΩ. Die an diesem Widerstand abfallende kleine Spannung wird gemessen.

Elektronische Schaltungen können auch geringere Spannungen am Shunt verarbeiten. Je kleiner die Spannung, desto weniger beeinflusst die Messeinrichtung den Stromkreis. Ein Controller verarbeitet die eingegangenen Messwerte und kann im Falle eines zu hohen Stroms mit einer Trennung des Kreises reagieren.

Besser als Schmelzsicherungen

Der Thermoschutz RTS wurde quasi als letzte Instanz in einer Sicherheitskette entwickelt. Er ersetzt den klassischen Überstromschutz nicht, sondern ergänzt ihn um eine Funktionalität, welche bislang durch Schmelzsicherungen nicht gegeben war.

Der RTS wird möglichst nah am zu schützenden Bauteil platziert. Übersteigt die Umgebungstemperatur des Leistungshalbleiters einen vorgegebenen Schwellwert, dann trennt der Thermoschutz das Bauteil vom Stromkreis und trennt galvanisch im Falle eines thermischen Durchgehens. Erweitert um einen Shunt-Messwiderstand lässt sich zusätzlich die Höhe des durchfließenden Stroms präzise messen und mittels Regelelektronik gegebenenfalls korrigieren.

Kundenspezifische Lösungen möglich

Standardprodukte haben den Vorteil, dass sie in der Praxis erprobt und rasch in großen Stückzahlen verfügbar sind. Doch nicht immer passen die technischen Kennwerte perfekt als Lösung für ein vorliegendes Problem. Anstelle eines Shunts mit 500 µΩ kann aufgrund der Messempfindlichkeit beispielsweise ein anderer Wert zweckdienlicher sein. Auch die Auslösetemperatur des RTS von 210 °C ist für manche aktuellen Problemstellungen etwas tiefer oder noch höher anzusetzen. Aus diesem Grund fertigt Schurter auch kundenspezifische Varianten des RTS an.

Der zusätzliche Einbau einer Überstromsicherung ins Gehäuse des RTS ist ebenfalls möglich. Dadurch stecken drei Produkte in einem einzigen, Reflow-lötbaren SMD-Bauteil mit sehr geringem Footprint: ein Übertemperaturschutz, ein Überstromschutz und ein Sensor zur Messung der Stromstärke in Form eines Shunts. Das spart nicht nur Kosten, sondern erhöht außerdem deutlich die Sicherheit im Betrieb. Die aktuelle Auslegung der Standardversion des RTS wurde speziell zum Schutz von Leistungselektronik im Automotive-Bereich mit 12 V_DC gewählt.