Принцип выдерживаемого напряжения и пробоя керамических PTC-нагревателей в автомобильных кондиционерах

PTC — это тип полупроводниковой термочувствительной керамики, сокращенно термочувствительная керамика с положительным температурным коэффициентом, которая относится к новому типу материалов с чрезвычайно широким применением. Применяя нелинейную температуру сопротивления PTC-керамики, ее можно разрабатывать и применять в различных областях. Например, использование керамических гофрированных PTC-нагревателей в кондиционерах становится все более распространенным. Одной из его выдающихся особенностей является его безопасность. Когда вентилятор выходит из строя и останавливается, мощность PTC-нагревателя автоматически резко падает из-за недостаточного рассеивания тепла. В это время температура поверхности нагревателя поддерживается на уровне около температуры Кюри (обычно около 250 градусов), чтобы не вызывать явление «покраснения» на поверхности электрических нагревательных трубчатых нагревателей.

Эффект 2PTC

Существуют различные теоретические модели для объяснения эффекта ПТК полупроводниковой керамики BaTiO3, среди которых модель поверхностного барьера, предложенная Хейвангом, и модель бариевой вакансии, предложенная Дэниелсом и др., являются более зрелыми и признанными большинством исследователей.

Причиной эффекта PTC может быть наличие потенциального барьерного слоя, вызванного акцепторным поверхностным состоянием на границе зерен поликристаллических полупроводниковых материалов BaTiO3. Удельное сопротивление материала состоит из двух частей: сопротивления тела зерна и барьера состояния поверхности зерна. При повышении температуры удельное сопротивление материала изменится на несколько порядков.

Керамические термисторы PTC изготавливаются на основе титаната бария и легируются другими поликристаллическими керамическими материалами с более низким сопротивлением и полупроводниковыми свойствами. При целенаправленном легировании материала с более высокой химической валентностью в качестве элемента решетки кристалла часть ионов бария или ионов титаната в решетке заменяется ионами с более высокой валентностью, в результате чего появляется определенное количество свободных электронов, которые генерируют проводимость. Причина эффекта термистора PTC, который заключается в ступенчатом увеличении значения сопротивления, заключается в том, что структура материала состоит из множества мелких микрокристаллов, которые образуют потенциальные барьеры на границе зерен (граница зерен), препятствуя электронам пересекать границу и попадать в соседние области, что приводит к высокому сопротивлению. Этот эффект нейтрализуется при низких температурах: высокая диэлектрическая проницаемость и спонтанная поляризационная прочность на границах зерен препятствуют образованию потенциальных барьеров и позволяют электронам свободно перемещаться при низких температурах. При высоких температурах этот эффект существенно снижает диэлектрическую проницаемость и интенсивность поляризации, что приводит к значительному увеличению потенциальных барьеров и сопротивления, проявляя сильный эффект ПТК.

Температурные характеристики сопротивления (RT характеристики) керамических PTC

Температурная характеристика сопротивления, обычно называемая температурной характеристикой сопротивления, относится к соотношению между сопротивлением нулевой мощности термистора PTC и температурой корпуса резистора при указанном напряжении. Из-за быстрых и резких изменений температуры поверхности и значения сопротивления термисторов PTC после включения питания, как правило, трудно измерить кривую температурной характеристики сопротивления во включенном состоянии. Кривая температурной характеристики сопротивления обычно получается путем помещения керамических чипов PTC, которые не подключены, в печь, регулировки температуры для стабилизации и измерения соответствующего значения сопротивления при различных температурах, и, наконец, построения кривой температурной характеристики сопротивления.

Сопротивление переключателя R c

R p максимальное рабочее сопротивление

R макс максимальное сопротивление

R мим минимальное сопротивление

T c Температура Кюри

T p максимальная рабочая температура

T max максимальная температура

T мин минимальная температура

Важным параметром, характеризующим температурные характеристики сопротивления, является температурный коэффициент, который отражает крутизну кривой температурной характеристики сопротивления. Температурный коэффициент термистора PTC более чувствителен к изменениям температуры, то есть, чем значительнее эффект PTC, тем лучше производительность соответствующего ему термистора PTC и тем дольше его срок службы. Температурный коэффициент термисторов PTC определяется как относительное изменение сопротивления, вызванное изменениями температуры. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), в общем случае T1 принимает степень Tc+15, а T2 принимает степень Tc+25 для расчета температурного коэффициента.

Вольт-амперные характеристики (VI характеристики) керамического PTC

Вольт-амперная характеристика, сокращенно вольт-амперная характеристика, отображает взаимозависимость между напряжением и током в термисторах PTC при воздействии электрических нагрузок для достижения теплового баланса. Когда керамический термистор PTC включен, ток быстро увеличивается с ростом напряжения. Когда достигается температура Кюри, ток достигает своего максимума, и термистор PTC входит в область PTC. Вольт-амперные характеристики термистора PTC можно грубо разделить на три области:

Область между 0-Vk называется линейной областью, и соотношение между напряжением и током в этой области в основном соответствует закону Ома, без существенных нелинейных изменений, также известной как область бездействия.

Область между Vk и Vmax называется зоной скачка. В это время из-за саморазогрева термистора PTC значение сопротивления претерпевает скачок, и ток уменьшается с ростом напряжения. Поэтому эта область также известна как зона действия. Остаточное произведение тока и напряжения в этой области остается постоянным, демонстрируя характеристику постоянной мощности. Благодаря широкому диапазону напряжений в области характеристики постоянной мощности, даже если напряжение изменяется, термистор PTC все еще поддерживает определенную температуру.

Область выше VD называется зоной пробоя. В это время ток увеличивается с ростом напряжения, а сопротивление PTC-термистора уменьшается экспоненциально. Поэтому, чем выше напряжение и ток, тем выше температура PTC-термистора и ниже сопротивление. Это быстро приводит к тепловому пробою PTC-термистора.

Механизм разрушения компонента PTC

Разрушение керамических компонентов PTC в основном подразделяется на разрушение по границам зерен и термическое разрушение.

5.1 Пробой границ зерен: Пробой, вызванный чрезмерным напряжением, приложенным к некоторым границам зерен из-за аномального роста или неравномерного распределения зерен, называется пробоем границ зерен.

1963 G Goodman указал, что легирование одного полупроводника монокристаллом BaTiO3 не демонстрирует эффект PTC, в то время как легирование поликристаллической керамики BaTiO3 демонстрирует эффект PTC. С тех пор PTC обычно классифицируется как явление границ зерен на международном уровне. В компонентах PTC зерна относятся к полупроводникам, а границы зерен принадлежат изолирующему слою, который является потенциальным барьером. Внешнее электрическое поле в основном прикладывается к слою границ зерен. Чем меньше размер зерна, тем больше границ зерен на единицу толщины и тем меньше эффективное напряжение, выделяемое каждой границе зерна, что приводит к уменьшению пьезорезистивного эффекта и увеличению сопротивления напряжению. Если размер зерна более неравномерный, в керамике могут быть некоторые более крупные или аномальные зерна, которые образуют каналы с более низким удельным сопротивлением и уменьшают сопротивление напряжению. Правильное добавление определенных добавок и улучшение условий нагрева процесса спекания в реальном производстве могут эффективно предотвратить образование аномальных зерен. В условиях реального производства керамические листы PTC с аномальными зернами можно обнаружить с помощью испытания на выдерживаемое напряжение между полюсами 600 В.

Тепловой пробой: рабочая точка компонентов PTC пересекает наивысшую точку температурных характеристик сопротивления и входит в стадию NTC, вызывая резкое повышение температуры и приводя к тепловому пробою. Факторы, которые влияют на тепловой пробой, в основном связаны с эффектом напряжения, рабочей температурой, окружающей средой и методом испытания на выдерживаемое напряжение между полюсами.

Кривая зависимости сопротивления от температуры для PTC показана на кривой A на рисунке, которая показывает, что с ростом температуры значение сопротивления постепенно увеличивается. PTC с точкой Кюри 250 градусов достигает своего максимального значения около 320 градусов (известной как температура точки перегиба), что составляет около нескольких сотен килоом или более. Если температура снова повышается после достижения точки перегиба, характеристики RT компонента демонстрируют характеристики NTC, то есть с ростом температуры сопротивление уменьшается.

Приведенная выше кривая была измерена PTC в условиях нулевой мощности, то есть, испытательный ток составляет менее 2 мА (этот ток не приведет к нагреву PTC), что является статической характеристикой RT. Фактически, когда PTC нагружен напряжением, амплитуда изменения сопротивления с температурой (отношение роста к сопротивлению) значительно уменьшится, а кривая характеристики сопротивления от температуры будет иметь тенденцию быть плоской, как показано на кривой B на рисунке. Это так называемый эффект напряжения. Чем выше напряжение, тем более выражен эффект напряжения PTC. Таким образом, во время процесса испытания выдерживаемым напряжением 500 В керамические листы PTC с низкими характеристиками склонны к пробою, и чем выше испытательное напряжение, тем больше вероятность пробоя. Согласно действующим отраслевым стандартам PTC, испытание выдерживаемым напряжением для общих заводских проверок проводится при напряжении 500 В.

После приложения определенного напряжения к PTC, тепло, выделяемое само по себе, достигает состояния равновесия с внешним теплообменом, и температура в этом состоянии равновесия называется рабочей температурой. Факторы, влияющие на рабочую температуру, связаны с приложенным напряжением и условиями рассеивания тепла. Взяв в качестве примера керамический PTC с точкой Кюри 250 градусов при испытании в определенных условиях вентиляции, когда подается напряжение 220 В, рабочая температура керамического PTC составляет 258 градусов. По мере увеличения напряжения его рабочая температура также увеличивается. При приложении напряжения 500 В рабочая температура керамического PTC составляет 281 градус, что близко к температуре точки поворота 320 градусов. Керамический PTC склонен к поломке. В условиях отсутствия вентиляции условия рассеивания тепла керамического PTC-нагревателя ухудшаются. В это время более высокое испытание выдерживаемым напряжением с большей вероятностью приблизится к точке поворота, что приведет к увеличению доли частоты отказов при поломке. Таким образом, для керамических PTC-нагревателей с номинальным напряжением 220 В и точкой Кюри 250 градусов номинальное напряжение испытывается при выдерживаемом напряжении 500 В без вентиляции, поэтому номинальное напряжение составляет 500 В. Выбор PTC-керамических листов с напряжением 220 В и точкой Кюри 250 градусов и типичный диапазон выбора для резисторов R25 при комнатной температуре

Условия рассеивания тепла включают такие факторы, как размер алюминиевых труб и полос, расстояние между гофрированными пластинами, положение установки электронагревателя PTC внутри кондиционера и является ли воздуховод разумным. Чем больше размер алюминиевой трубки и алюминиевой полосы, тем лучше условия рассеивания тепла. Соответствующее уменьшение расстояния между гофрированными пластинами может увеличить площадь гофрированных пластин, что улучшает условия рассеивания тепла. Угол установки электронагревателя PTC внутри кондиционера больше способствует потоку воздуха, проходящему через гофрированные пластины, что улучшает условия рассеивания тепла. Чем больше конструкция воздуховода кондиционера способствует циркуляции воздушного потока, тем лучше условия рассеивания тепла PTC.

Кроме того, выбор мощности также является ключевым фактором, влияющим на условия рассеивания тепла. Для повышения мощности нагревателя используется увеличение количества компонентов PTC, в результате чего каждый компонент не может полностью использовать свою мощность нагрева и увеличивается внутренняя рабочая температура. Основная причина заключается в том, что после определения размера конструкции электронагревателя PTC определяется и его площадь рассеивания тепла. По мере увеличения количества компонентов PTC средняя площадь рассеивания тепла на единицу компонентов PTC уменьшается, что приводит к увеличению тепловой плотности керамических листов PTC. Например, электронагреватель PTC размером XX * 580 использует керамические пластины 32 * 12 * 2,4 мм. Мощность 14 пластин может достигать 900 Вт, но мощность 20 пластин может достигать только 1000 Вт. Данные показывают, что мощность 14 пластин составляет 64 Вт, в то время как мощность 20 пластин составляет 50 Вт. Это свидетельствует о том, что площадь рассеивания тепла агрегата уменьшается с увеличением количества керамических пластин, что приводит к высокой плотности тепла и суровым условиям работы, что может легко увеличить вероятность поломки.

Внутренняя структура PTC состоит из зерен и границ зерен. Сопротивление PTC также состоит из зерен и сопротивления границ зерен. Сопротивление PTC при комнатной температуре определяется зернами, и сопротивление очень мало. Границы зерен являются проводящими. Когда температура превышает температуру Кюри, сопротивление границ зерен резко возрастает, достигая нескольких сотен килоом или даже мегаом. Это происходит потому, что во время процесса спекания и охлаждения PTC границы зерен поглощают достаточное количество атомов кислорода в кислородной атмосфере, увеличивая высоту барьерного слоя на границах зерен и приводя к превосходным характеристикам PTC. Во время использования, если парциальное давление кислорода в среде, где находится PTC, низкое, высокая концентрация атомов кислорода на границах зерен будет постепенно диффундировать и перетекать в низкую концентрацию снаружи, вызывая снижение сопротивления границ зерен PTC, снижение коэффициента подъемной силы и серьезное ухудшение характеристик PTC, что в конечном итоге приводит к плохому сопротивлению напряжению и поломке PTC.

Качество керамических PTC-листов является ключевым фактором в определении сопротивления напряжению и пробоя. Следует выбирать надежных поставщиков и проводить строгий входной отбор керамических PTC-листов для выбора PTC-листов с высоким сопротивлением напряжению и высоким температурным коэффициентом.

Для уменьшения контакта между PTC-нагревателями и восстановительной атмосферой в процессе нагрева в отрасли существует метод уменьшения диффузии атомов кислорода и повышения прочности на сжатие путем покрытия краев PTC-керамических листов клеем.

⑶ Проектная мощность электронагрева PTC