자동차 에어컨용 세라믹 PTC 히터의 내전압 및 절연파괴 원리

PTC는 반도체 열감응 세라믹의 일종으로, 양의 온도 계수 열감응 세라믹으로 약칭되며, 매우 광범위한 응용 분야를 가진 새로운 유형의 재료에 속합니다. PTC 세라믹의 비선형 저항 온도를 적용하여 다양한 분야에서 개발 및 적용할 수 있습니다. 예를 들어, 에어컨에서 세라믹 PTC 골판지 히터를 사용하는 것이 점점 더 널리 퍼지고 있습니다. 그 두드러진 특징 중 하나는 안전 성능입니다. 팬이 오작동하고 작동을 멈추면 PTC 히터의 전력은 열 발산이 충분하지 않아 자동으로 급격히 떨어집니다. 이때 히터의 표면 온도는 퀴리 온도(일반적으로 약 250도) 주변으로 유지되어 전기 가열관 히터 표면에 "붉은색" 현상이 발생하지 않습니다.

2PTC효과

BaTiO3 반도체 세라믹의 PTC 효과를 설명하는 다양한 이론적 모델이 있는데, 그 중 Heywang이 제안한 표면 장벽 모델과 Daniels 등이 제안한 바륨 공공 모델이 더 성숙되었고 대부분의 연구자에게 인정받고 있습니다.

PTC 효과의 이유는 다결정 BaTiO3 반도체 재료의 입자 경계에서 수용체 표면 상태로 인해 발생하는 전위 장벽 층의 존재에 기인할 수 있습니다. 재료의 저항률은 입자체 저항과 입자 표면 상태 장벽의 두 부분으로 구성됩니다. 온도가 증가함에 따라 재료의 저항률은 몇 배나 변합니다.

세라믹 PTC 서미스터는 티탄산 바륨을 기반으로 제조되고 낮은 저항과 반도체 특성을 가진 다른 다결정 세라믹 재료로 도핑됩니다. 결정의 격자 원소로 더 높은 화학적 원자가를 가진 재료를 의도적으로 도핑함으로써 격자의 바륨 이온 또는 티탄산 이온의 일부가 더 높은 원자가 이온으로 대체되어 전도성을 생성하는 특정 수의 자유 전자가 발생합니다. 저항 값의 단계적 증가인 PTC 서미스터 효과의 이유는 재료 구조가 많은 작은 미세 결정으로 구성되어 결정립계(결정립계)에서 전위 장벽을 형성하여 전자가 경계를 넘어 인접한 영역으로 들어가는 것을 방해하여 높은 저항을 발생시키기 때문입니다. 이 효과는 저온에서는 상쇄됩니다. 결정립계에서 높은 유전율과 자발 분극 강도는 전위 장벽의 형성을 방해하고 전자가 저온에서 자유롭게 흐를 수 있도록 합니다. 고온에서는 이 효과로 인해 유전율과 분극 강도가 크게 감소하여 전위 장벽과 저항이 크게 증가하며 강력한 PTC 효과가 나타납니다.

세라믹 PTC의 저항온도 특성(RT 특성)

저항 온도 특성은 일반적으로 저항 온도 특성이라고 하며, PTC 서미스터의 제로 전력 저항과 지정된 전압에서 저항기 본체의 온도 사이의 관계를 말합니다. 전원이 켜진 후 PTC 서미스터의 표면 온도와 저항 값이 빠르고 급격하게 변하기 때문에 일반적으로 전원이 켜진 상태에서 저항 온도 특성 곡선을 측정하기 어렵습니다. 저항 온도 특성 곡선은 일반적으로 연결되지 않은 세라믹 PTC 칩을 오븐에 넣고 온도를 조정하여 안정화하고 다양한 온도에서 해당 저항 값을 측정한 다음 마지막으로 저항 온도 특성 곡선을 그려서 얻습니다.

R c 스위치 저항

R p 최대 작동 저항

R 최대 최대 저항

R mim 최소 저항

T c 퀴리 온도

T p 최대 작동 온도

T max 최대 온도

T min 최소 온도

저항 온도 특성을 특징짓는 중요한 매개변수는 온도 계수로, 저항 온도 특성 곡선의 가파른 정도를 반영합니다. 온도 계수 PTC 서미스터는 온도 변화에 더 민감합니다. 즉, PTC 효과가 클수록 해당 PTC 서미스터의 성능이 좋아지고 수명이 길어집니다. PTC 서미스터의 온도 계수는 온도 변화로 인한 저항의 상대적 변화로 정의됩니다. =(lgR2-lgR1)/(T2-T1), 일반적으로 T1은 Tc+15도, T2는 Tc+25도를 사용하여 온도 계수를 계산합니다.

세라믹 PTC의 볼트 암페어 특성(VI 특성)

전압 전류 특성은 볼트 암페어 특성으로 약칭되며, 열적 균형을 이루기 위해 전기 부하를 받을 때 PTC 서미스터의 전압과 전류 간의 상호 의존성을 나타냅니다. 세라믹 PTC 서미스터에 전원을 공급하면 전압이 증가함에 따라 전류가 빠르게 증가합니다. 퀴리 온도에 도달하면 전류가 최대치에 도달하고 PTC 서미스터는 PTC 영역에 진입합니다. PTC 서미스터의 볼트 암페어 특성은 대략 세 영역으로 나눌 수 있습니다.

0-Vk 사이의 영역을 선형 영역이라고 하며, 이 영역에서 전압과 전류의 관계는 기본적으로 옴의 법칙을 따르며 큰 비선형 변화가 없습니다. 이를 비작용 영역이라고도 합니다.

Vk와 Vmax 사이의 영역을 점프 존이라고 합니다. 이때 PTC 서미스터의 자기 발열로 인해 저항 값이 점프하고 전압이 증가함에 따라 전류가 감소합니다. 따라서 이 영역을 액션 존이라고도 합니다. 이 영역에서 전류와 전압의 잔류곱은 일정하게 유지되어 정전력 특성을 나타냅니다. 정전력 특성 영역에서 전압 범위가 넓기 때문에 전압이 변하더라도 PTC 서미스터는 여전히 일정한 온도를 유지합니다.

VD 위의 영역을 파괴 영역이라고 합니다. 이때 전압이 증가함에 따라 전류가 증가하고 PTC 서미스터의 저항은 기하급수적으로 감소합니다. 따라서 전압과 전류가 높을수록 PTC 서미스터의 온도는 높아지고 저항은 낮아집니다. 이는 PTC 서미스터의 열 파괴로 빠르게 이어집니다.

PTC 부품 고장 메커니즘

세라믹 PTC 부품의 파괴는 크게 결정립계 파괴와 열 파괴로 구분된다.

5.1 결정립계 파괴: 결정립의 비정상적인 성장이나 불균일한 분포로 인해 일부 결정립계에 과도한 전압이 인가되어 파괴되는 현상을 결정립계 파괴라고 한다.

1963년 G Goodman은 단결정 BaTiO3 단일 반도체 도핑은 PTC 효과를 나타내지 않는 반면 다결정 BaTiO3 세라믹 도핑은 PTC 효과를 나타낸다고 지적했습니다. 그 이후로 PTC는 국제적으로 일반적으로 결정립계 현상으로 분류되었습니다. PTC 구성 요소에서 결정립은 반도체에 속하고 결정립계는 전위 장벽인 절연 층에 속합니다. 외부 전기장은 주로 결정립계 층에 적용됩니다. 결정립 크기가 작을수록 단위 두께당 결정립계가 많아지고 각 결정립계에 할당된 유효 전압이 작아져 압저항 효과가 감소하고 전압 저항이 증가합니다. 결정립 크기가 더 고르지 않으면 세라믹에 더 크거나 비정상적인 결정립이 있을 수 있으며, 이는 저항률이 낮은 채널을 형성하고 전압 저항을 감소시킵니다. 실제 생산에서 특정 첨가제를 적절히 첨가하고 소결 공정의 가열 조건을 개선하면 비정상적인 결정립의 생성을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 실제 생산에서는 600V 인터폴 내전압 시험을 통해 비정상적인 입자가 포함된 PTC 세라믹 시트를 검출할 수 있습니다.

열 파괴: PTC 부품의 작동 지점은 저항 온도 특성의 가장 높은 지점을 교차하여 NTC 단계에 진입하여 온도가 급격히 상승하고 열 파괴가 발생합니다. 열 파괴에 영향을 미치는 요소는 주로 전압 효과, 작동 온도, 환경 분위기 및 인터폴 내전압 시험 방법과 관련이 있습니다.

PTC의 저항 온도 특성 곡선은 그림의 곡선 A에 나와 있는데, 온도가 증가함에 따라 저항 값이 단계적으로 증가하는 것을 보여줍니다. 퀴리점이 250도인 PTC는 약 320도(변곡점 온도라고 함)에서 최대값에 도달하는데, 이는 약 수백 킬로옴 이상입니다. 변곡점에 도달한 후 온도가 다시 상승하면 부품의 RT 특성은 NTC 특성을 나타냅니다. 즉 온도가 증가함에 따라 저항이 감소합니다.

위의 곡선은 PTC가 제로 전력 조건에서 측정한 것으로, 즉 시험 전류가 2mA 미만(이 전류는 PTC를 가열하지 않음)이며, 이는 정적 RT 특성입니다. 사실, PTC에 전압이 가해지면 온도에 따른 저항 변화의 진폭(저항 상승 비율)이 크게 감소하고 저항 온도 특성 곡선은 그림의 곡선 B와 같이 평평해지는 경향이 있습니다. 이것이 소위 전압 효과입니다. 전압이 높을수록 PTC의 전압 효과가 더 두드러집니다. 따라서 500V 내전압 시험 과정에서 성능이 좋지 않은 PTC 세라믹 시트는 파손되기 쉽고 시험 전압이 높을수록 파손 가능성이 커집니다. 현재 PTC 산업 표준에 따르면 일반 공장 검사의 내전압 시험은 500V 전압에서 수행됩니다.

PTC에 일정한 전압을 인가한 후, 자체적으로 생성된 열은 외부 열 교환과 평형 상태에 도달하고, 이 평형 상태의 온도를 작동 온도라고 합니다. 작동 온도에 영향을 미치는 요인은 인가 전압과 방열 조건과 관련이 있습니다. 퀴리점이 250도인 세라믹 PTC를 특정 환기 조건에서 테스트할 때 예로 들면, 220V 전압을 인가하면 세라믹 PTC의 작동 온도는 258도입니다. 전압이 증가함에 따라 작동 온도도 증가합니다. 500V 전압을 인가하면 세라믹 PTC의 작동 온도는 281도로 전환점 온도인 320도에 가깝습니다. 세라믹 PTC는 파손되기 쉽습니다. 환기가 되지 않는 조건에서는 세라믹 PTC 히터의 방열 조건이 악화됩니다. 이때 내전압 시험이 높을수록 전환점에 가까워져 파손 ​​고장률이 증가합니다. 따라서 정격 전압이 220V이고 퀴리점이 250도인 세라믹 PTC 히터의 경우 정격 전압은 통풍이 없는 500V 내전압에서 테스트되므로 정격 전압은 500V입니다. 220V 및 퀴리점이 250도인 PTC 세라믹 시트 선택 및 실온 R25 저항기의 일반적인 선택 범위

방열 조건에는 알루미늄 파이프와 스트립의 크기, 골판 사이의 간격, 에어컨 내부의 PTC 전기 히터의 설치 위치, 공기 덕트가 합리적인지 여부와 같은 요소가 포함됩니다. 알루미늄 튜브와 알루미늄 스트립의 크기가 클수록 방열 조건이 더 좋습니다. 골판 사이의 간격을 적절히 줄이면 골판의 면적이 늘어나 방열 조건이 개선됩니다. 에어컨 내부의 PTC 전기 히터 설치 각도는 골판 판을 통과하는 공기 흐름에 더 도움이 되어 방열 조건이 개선됩니다. 에어컨의 공기 덕트 설계가 공기 흐름의 순환에 더 도움이 될수록 PTC의 방열 조건이 더 좋습니다.

또한 전력 선택도 방열 조건에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 히터의 가열 전력을 개선하기 위해 PTC 구성 요소의 수를 늘려 각 구성 요소가 가열 전력을 충분히 활용할 수 없고 내부 작동 온도가 증가합니다. 주된 이유는 PTC 전기 히터 설계의 크기가 결정된 후 방열 면적도 결정되기 때문입니다. PTC 구성 요소의 수가 증가함에 따라 PTC 구성 요소 단위당 평균 방열 면적이 감소하여 PTC 세라믹 시트의 열 밀도가 증가합니다. 예를 들어, XX * 580 크기의 PTC 전기 히터는 32 * 12 * 2.4mm 세라믹 판을 사용합니다. 14개 판의 전력은 900W에 도달할 수 있지만 20개 판의 전력은 1000W에 불과합니다. 데이터에 따르면 14개 판의 전력은 64W인 반면 20개 판의 전력은 50W입니다. 이는 세라믹 판의 증가에 따라 단위 방열 면적이 감소하여 열 밀도가 높아지고 작업 환경이 열악해져 고장 확률이 쉽게 높아질 수 있음을 나타냅니다.

PTC의 내부 구조는 결정립과 결정립 경계로 구성되어 있습니다. PTC의 저항도 결정립과 결정립 경계 저항으로 구성되어 있습니다. 실온에서 PTC의 저항은 결정립에 의해 결정되며 저항은 매우 작습니다. 결정립 경계는 전도성이 있습니다. 온도가 퀴리 온도를 초과하면 결정립 경계 저항이 급격히 증가하여 수백 킬로옴 또는 심지어 메가옴에 도달합니다. 이는 PTC의 소결 및 냉각 공정 중에 결정립 경계가 산소 분위기에서 충분한 산소 원자를 흡수하여 결정립 경계에서 장벽 층의 높이를 증가시키고 우수한 PTC 특성을 나타내기 때문입니다. 사용 중에 PTC가 있는 환경의 산소 분압이 낮으면 결정립 경계에 있는 고농도의 산소 원자가 점차 확산되어 외부의 저농도로 넘쳐나 PTC의 결정립 경계 저항이 감소하고 양력 대 항력 비율이 감소하며 PTC 특성이 심각하게 저하되어 궁극적으로 내전압성이 떨어지고 PTC가 파괴됩니다.

세라믹 PTC 시트의 품질은 전압 저항과 파괴를 결정하는 핵심 요소입니다. 신뢰할 수 있는 공급업체를 선택해야 하며, 세라믹 PTC 시트의 엄격한 수입 검사를 수행하여 높은 전압 저항과 높은 온도 계수를 가진 PTC 시트를 선택해야 합니다.

가열 과정 중 PTC 히터와 환원 분위기 사이의 접촉을 줄이기 위해 업계에서는 PTC 세라믹 시트의 가장자리를 접착제로 코팅하여 산소 원자의 확산을 줄이고 압축 강도를 향상시키는 방법이 있습니다.

⑶ PTC 전기발열량 설계