Перейти к содержанию

Тепловой разгон (thermal runaway)

Транзистор работал минуту, потом ток пополз вверх, и деталь сгорела без видимой перегрузки. Обычная причина — тепловой разгон: нагрев увеличивает ток, ток увеличивает нагрев, и процесс разгоняется сам. То же слово используют и для аварии литиевого аккумулятора.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Тепловой разгон (thermal runaway) — неустойчивость, при которой нагрев увеличивает ток через прибор, а ток — нагрев. Если охлаждение не успевает отводить добавочное тепло, температура и ток растут лавинообразно, пока прибор не выйдет из строя. Это положительная обратная связь по температуре.

У биполярного транзистора

Kuphaldt описывает механизм так (Vol. III, гл. 4, «Temperature drift»): с ростом температуры у транзистора растут ток утечки и коэффициент передачи β, а напряжение база — эмиттер падает от номинальных 0,7 В. Всё это увеличивает ток коллектора при том же смещении. Больше ток — больше рассеиваемая мощность — выше температура кристалла. Цикл может разрушить транзистор.

Меры против разгона:

  • отрицательная обратная связь по току — резистор в эмиттере: рост тока увеличивает падение на нём и прикрывает переход база — эмиттер;
  • балластные резисторы меньше ома в эмиттерах параллельных транзисторов и общий радиатор — иначе более горячий прибор забирает себе весь ток;
  • запас по температуре — меньше тепловое сопротивление от кристалла до воздуха и ниже рабочая температура перехода.

У диода Шоттки

Диод Шоттки отличается большим обратным током, который резко растёт с нагревом. При высоком обратном напряжении потери от этого тока становятся заметной частью общих — и могут разогнать диод. Nexperia в даташите PMEG10030ELP так и пишет: для диодов Шоттки тепловой разгон нужно учитывать (разд. 9, примечание 1). Поэтому на высокое обратное напряжение и горячие места выбирают Шоттки с малой утечкой и считают нагрев по худшему случаю.

У аккумулятора

Для Li-ion тем же термином называют катастрофический отказ самого элемента, который может закончиться его бурным разрушением. TI перечисляет причины — прокол, перезаряд, перегрузку по току, перегрев — и поэтому требует схему защиты; у LiFePO4 температура разгона намного выше (SLUAAR1, разд. 3). Подробнее о химиях — в разделе «Батарейки и аккумуляторы».

Частые вопросы

Почему резистор в эмиттере спасает от теплового разгона?

Он даёт отрицательную обратную связь по току. Если транзистор нагрелся и ток коллектора вырос, растёт падение напряжения на эмиттерном резисторе, напряжение база — эмиттер уменьшается, и ток возвращается назад. Kuphaldt называет такой резистор обычной мерой против теплового разгона и отмечает, что каскад с общим коллектором ему не подвержен (Vol. III, гл. 4).

Можно ли включать мощные транзисторы параллельно?

Биполярные — только с балластными резисторами. Одинаковых транзисторов не бывает, и более горячий забирает больше тока, отчего греется ещё сильнее. Kuphaldt рекомендует резисторы меньше ома в каждом эмиттере и общий радиатор (Vol. III, гл. 4): падение на балластном резисторе работает как отрицательная обратная связь и уменьшает ток более горячего прибора.

При чём тут диоды Шоттки?

У диода Шоттки большой обратный ток, и он быстро растёт с температурой. Если обратное напряжение велико, а охлаждение слабое, потери от обратного тока греют кристалл, утечка растёт ещё больше — и диод разгоняется. Nexperia прямо указывает в даташите PMEG10030ELP, что для диодов Шоттки тепловой разгон нужно учитывать (разд. 9, примечание 1).

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 4 «Bipolar Junction Transistors» (CC BY 4.0) — разд. «Temperature drift»: ток утечки и β растут с температурой, VBE падает от номинальных 0,7 В, что увеличивает ток коллектора; рост тока увеличивает рассеиваемую мощность и температуру — самоусиливающийся цикл, тепловой разгон, может разрушить транзистор; лечится смещением с отрицательной обратной связью; при параллельном включении более горячий транзистор забирает больше тока — нужны балластные резисторы в эмиттерах меньше ома и общий радиатор; β маломощных транзисторов 100–300, мощных 20–50; разд. «Feedback»: резистор в эмиттере ставят против теплового разгона, каскад с общим коллектором ему не подвержен
  2. Nexperia. PMEG10030ELP: 100 V, 3 A low leakage current Schottky barrier rectifier (product data sheet, 20 February 2023) — с. 3, разд. 9, примечание 1: для диодов Шоттки нужно учитывать тепловой разгон, так как в некоторых применениях потери от обратного тока — значительная часть общих потерь; тепловое сопротивление кристалл — воздух 200, 120 и 60 К/Вт в зависимости от платы
  3. Texas Instruments. LiFePO4 Design Considerations (SLUAAR1, July 2023) — разд. 3: тепловой разгон аккумулятора — катастрофический отказ, способный вызвать бурное разрушение; причины — прокол, перезаряд, перегрузка по току, перегрев; Li-ion менее стабильны, поэтому нужна схема защиты; у LiFePO4 температура теплового разгона намного выше

Нашли ошибку?

Смотрите также