FR2897231A1

FR2897231A1 - Circuit de protection thermique pour un composant semiconducteur

Info

Publication number: FR2897231A1
Application number: FR0601024A
Authority: FR
Inventors: Ming Tao
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-08-10
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: FR2897231B1; CN101034799A; CN201057626Y; CN101034799B

Abstract

Le dispositif de protection thermique d'un composant électrique contre les surchauffes est caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de refroidissement en contact thermique avec le composant placé en série dans le circuit d'alimentation du composant et comporte des moyens de rupture du circuit électrique en cas de dépassement de température.Le dispositif de protection thermique d'un composant électrique contre les surchauffes est caractérisé en ce que les moyens de coupure du circuit sont constitués d'un élément conducteur fusible.Le dispositif de protection thermique d'un composant électrique contre les surchauffes est caractérisé en ce que les moyens de coupure constitués par une pièce conductrice électrique en tension mécanique sur le radiateur se libèrent mécaniquement sous l'effet de la chaleur (température qui dépasse un seuil déterminé) de façon à ouvrir le circuit.Le composant électronique est une varistance ZnO.

Description

-1- La présente invention concerne un dispositif qui permet de protéger un

composant électronique contre les surchauffes. Il consiste à mettre en connexion électrique avec le composant électronique un radiateur thermique qui se déconnecte automatiquement dès qu'un certain seuil de température est dépassé.

Ces composants sont généralement semi-conducteurs (tels que les varistances ZnO). Les composants semi-conducteurs sont utilisés dans nos équipements électriques, électroniques, informatiques et télécommunications. Mais ces composants ont un défaut en commun : la surchauffe. La surchauffe commence par un point chaud puis un composant entier jusqu'à l'endommagement de l'appareil et peut provoquer des incendies. La varistance ZnO fait partie des composants de céramique semi-conducteurs. Grâce à ses propriétés particulières (non linéarité ; figure 1) elle est très utilisée dans la protection des équipements électriques, électroniques contre les surtensions atmosphériques ou industrielles. En état normal, la varistance ZnO a une forte résistance. Le chemin de protection est un circuit ouvert. En présence d'une surtension transitoire, la varistance se met à conduire et écoule la surcharge à la terre. En même temps, elle absorbe une partie d'énergie transitoire.

Lorsque l'énergie de la surtension ne dépasse pas la capacité d'absorption d'une varistance, elle retrouve sa caractéristique initiale et est de nouveau prête à fonctionner pour la prochaine surtension. En revanche, si l'énergie de la surtension dépasse la limite d'absorption d'une varistance, elle se dégrade au niveau de la caractéristique électrique et lorsque la tension de seuil d'une varistance à 1mA est inférieure à celle de service, elle entre dans un emballement thermique. Elle chauffe, brûle et se met en court-circuit non franc (10-500). Cet emballement thermique est dangereux pour l'équipement à protéger. Il est donc impératif de mettre un circuit de protection thermique pour éviter ce défaut. On trouve actuellement sur le marché pour les varistances enrobées, des protections par fusible, disjoncteur ou fusible thermique. Ces moyens ne sont pas tout à fait adaptés à la protection d'une varistance contre l'emballement thermique. Les exigences nécessaires d'un système de déconnection pour une varistance contre l'emballement thermique sont les suivantes : 1- Une varistance est un composant de protection contre les surtensions, son rôle essentiel est d'écouler les surcharges transitoires à la terre. Première exigence : le système de déconnection doit tenir le courant de décharge nominal d'une varistance (de quelques cent ampères jusqu'à 10kA). 2- La varistance en état normal a un petit courant de fuite qui traverse le composant (de l'ordre de A). Une fois la varistance dégradée, elle commence à chauffer à partir de 10mA. Deuxième exigence : le système de déconnection doit fonctionner à partir de faibles courants en cas d'emballement thermique (500mA ou 2A). 2897231 -2- La protection d'une varistance par fusible peut répondre à la première critère si on sélectionne le calibre important pour écouler le courant de décharge. Mais il ne peut pas couper l'alimentation pour des courants inférieurs à son calibre. La protection par disjoncteur est similaire au fusible.

5 La protection d'une varistance par fusible thermique : un fusible thermique peut couper le circuit lorsque sa température dépasse le seuil de déclenchement. Ce composant est bien utilisé dans la protection des appareils électriques ou électroniques contre la surchauffe. En revanche, un fusible thermique normal n'est pas fait pour supporter les courants de chocs : certains perdent même leurs 10 caractéristiques thermiques initiales. Après des courants de chocs il se met à circuit ouvert ou fonctionne très mal à la température. Nous avons trouvé un système de déconnection qui répond parfaitement aux deux exigences pour les varistances enrobées. Le circuit de protection est constitué d'une plaque métallique déposée par collage spécifique sur une des deux surfaces 15 de la varistance enrobée. On soude ensuite un élément de fusion à basse température (alliage ou fil d'étain) ou bien un alliage élastique avec une soudure de basse température. La position de l'élément soudé peut variée (parallèle ou perpendiculaire) suivant les circonstances. Selon des modes particuliers de réalisation : 20 - le moyen de refroidissement est en contact thermique avec le composant placé en série dans le circuit d'alimentation du composant et comporte des moyens de rupture du circuit électrique en cas de dépassement de température. - les moyens de coupure du circuit sont constitués d'un élément conducteur fusible. - l'élément de coupure constitué par une pièce conductrice électrique en tension 25 mécanique sur le radiateur se libère mécaniquement sous effet de la chaleur (température qui dépasse un seuil déterminé) de façon à ouvrir le circuit. - le radiateur est constitué d'une plaque métallique conductrice de la chaleur et de l'électricité placée en contact thermique avec le composant et en série avec le circuit alimentant le composant. 30 - la plaque métallique est fixée par collage spécifique. - l'élément de coupure thermique peut se déplacer dans le plan de la plaque du composant électronique de façon à ce que l'ensemble occupe un emplacement très compact. - le composant électronique est un composant de protection contre les surtensions. 35 - un circuit de protection contre les surtensions occasionnant une surchauffe thermique. - le composant électronique est une varistance ZnO. - le point de fusion de la connexion entre la varistance et la plaque métallique est toujours supérieur en température à celui de l'élément de fusion.

40 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 présente les caractéristiques électriques d'une varistance ZnO. 2897231 -3- La figure 2 présente un schéma de protection contre la surtension avec notre circuit de protection thermique. La figure 3 représente la configuration en détail de notre circuit de protection thermique.

5 En référence à ces dessins : En état normal, un courant de fuite traverse la varistance (4). En présence d'une surtension transitoire (5), le courant de décharge passe l'élément de fusion (2) puis la plaque métallique (3) et traverse la varistance (4) avant d'entrer dans la terre. Le diamètre de l'élément de fusion (2) est sélectionné 10 pour faire passer le fort courant. La plaque métallique (3) collé spécifiquement sur la varistance enrobée (4) agit comme un radiateur et prolonge la durée de vie de la varistance. Lorsque la varistance (4) est fortement dégradée, elle entre en emballement thermique. Un point chaud parait (la position du point chaud étant aléatoire d'une 15 varistance à une autre) ; la varistance (4) chauffe de plus en plus. La plaque métallique (3) collée sur la varistance enrobée (4) devient un collecteur de chaleur. Grâce à la faible épaisseur du plaque métallique (3) (<O,lmm), au collage sur la surface et à la bonne conductivité de chaleur du métal, la chaleur du point chaud est vite transmise à l'élément de fusion (2). Il y a donc très peu de dispersion de 20 chaleur au cours de la transmission. Lorsque la température du élément de fusion (2) monte à son point de fusion (environ 180 C), celui-ci commence à fondre et est coupé par projection. Il y a une séparation complète entre la varistance dégradée (4) et l'alimentation (6). La norme de parafoudre IEC 61643-11 demande une protection contre le 25 court-circuit pour les parafoudres de protection. En plus de protection thermique, l'élément de fusion (2) joue le rôle de fusible normal. Lorsqu'il y a un court-circuit (accidenté ou endornmagé par de très forts courants de décharge) dans un parafoudre composé de varistances équipées de notre système de déconnection thermique, l'élément de fusion (2) fond lorsque l'intensité du courant dépasse sa 30 capacité de limite. 2897231 -4- Le dispositif de protection selon l'invention trouve son application dans un parafoudre class III suivant la norme IEC 61643-11, conçu pour être intégré dans les équipements électriques ou électroniques contre les surtensions transitoires induites dans les réseaux installations basse tension.

5 Selon un premier exemple de réalisation, le parafoudre a une configuration dissymétrique dont le schéma de principe est présenté sur la figure 1. Il est composé d'une varistance (V) équipée d'un déconnecteur thermique (D) entre la phase (Ph) et le neutre (N), d'un éclateur à gaz (G) entre neutre et PE, et d'un système d'indication d'état. Cette version est proposée pour l'application dans l'installation où la phase et le neutre 10 sont bien distincts. Selon un second exemple de réalisation le parafoudre a une configuration symétrique dont le schéma de principe est présenté sur la figure 2. Il est composé de deux varistances (V) équipées d'un déconnecteur thermique (D) chacune, d'une troisième varistance (V) branchée entre le point commun des deux premières et PE, et d'un système 15 d'indication d'état. Cette version est proposée pour l'application dans l'installation où la phase (Ph) et le neutre (N) sont difficiles à repérer. Les deux exemples de réalisation utilisent la technologie du déconnecteur thermique en fil d'étain soudé sur le ruban de cuivre adhésif qui fait partie d'un projet de 20 dépôt de brevet. Le ruban de cuivre adhésif collé sur la surface de la varistance enrobée de résine Epoxy joue un rôle de collecteur de chaleur. Le fil d'étain, lui, soudé sur le ruban joue un rôle de fusible thermique. Lorsqu'une varistance ramasse trop d'énergie de surcharge, elle entre dans un état d'emballement thermique. Le fil d'étain soudé sur le ruban de cuivre fond et la varistance 25 est déconnectée de l'alimentation. Un indicateur d'état composé d'un Led, d'une diode et d'une résistance (R) indique l'état de bon fonctionnement. Le Led s'éteint lorsque la varistance est hors service. Le boîtier du parafoudre (Figure 6, 7, 8) est composé de deux coquilles symétriques et d'une plaque amovible. La fermeture se fait à l'aide de 4 vis. Le boîtier est 30 en matière plastique conforme à la norme UL94-V0. Les dimensions extérieures du boîtier sont de 45,5mm pour la longueur, de 36,5mm pour la largeur et 26,5mm pour la hauteur. Ces dimensions permettent d'utiliser les varistances de diamètre de 20mm qui donnent un courant de décharge maximum de 15kA (8/2Qgs). La plaque amovible permet aisément la réalisation de sortie en fils ou en picots. Enfin l'emplacement de la carte de 35 protection est calculé pour avoir une meilleure isolation thermique et électrique.

Claims

REVENDICATIONS

1) Dispositif de protection thermique d'un composant électrique contre les surchauffes caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de refroidissement en contact thermique avec le composant placé en série dans le circuit d'alimentation du composant et comporte des moyens de rupture du circuit électrique en cas de dépassement de température.

2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de coupure du circuit sont constitués d'un élément conducteur fusible.

3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de coupure constitués par une pièce conductrice électrique en tension mécanique sur le radiateur se libèrent mécaniquement sous effet de la chaleur (température qui dépasse un seuil déterminé) de façon à ouvrir le circuit.

4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le radiateur est constitué d'une plaque métallique conductrice de la chaleur et de l'électricité placée en contact thermique avec le composant et en série avec le circuit alimentant le composant.

5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la plaque métallique est fixée par collage.

6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 20 que l'élément de coupure thermique se déplace dans le plan de la plaque du composant électronique de façon à ce que l'ensemble occupe un emplacement très compact.

7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le composant électronique est un composant de protection contre les surtensions.

8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 25 que le composant électronique est une varistance ZnO.

9) Dispositif selon la revendication 8 et l'une des févendications 4 ou 5 caractérisé en ce que le point de fusion de la connexion entre la varistance et la plaque métallique est toujours supérieur en température à celui de l'élément de fusion. 30

10) Circuit de protection contre les surintensités occasionnant une surchauffe thermique caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications précédentes.