自動車エアコン用セラミックPTCヒーターの耐電圧と破壊の原理

PTC は半導体感熱セラミックの一種で、正温度係数感熱セラミックとも呼ばれ、極めて幅広い用途を持つ新しいタイプの材料に属します。PTC セラミックの非線形抵抗温度を応用することで、さまざまな分野で開発および応用できます。たとえば、エアコンにおけるセラミック PTC コルゲートヒーターの使用はますます広まっています。その顕著な特徴の 1 つは、その安全性能です。ファンが故障して動作を停止すると、放熱が不十分なため、PTC ヒーターの出力が自動的に急激に低下します。このとき、ヒーターの表面温度はキュリー温度付近 (通常は約 250 度) に維持され、電熱管ヒーターの表面に「赤くなる」現象が発生しないようにします。

2PTC効果

BaTiO3 半導体セラミックの PTC 効果を説明するさまざまな理論モデルがありますが、その中でも Heywang が提案した表面バリア モデルと Daniels らが提案したバリウム空孔モデルはより成熟しており、ほとんどの研究者に認められています。

PTC 効果の理由は、多結晶 BaTiO3 半導体材料の粒界におけるアクセプタ表面状態によって引き起こされる電位障壁層の存在に起因します。材料の抵抗率は、粒体抵抗と粒表面状態障壁の 2 つの部分で構成されます。温度が上昇すると、材料の抵抗率は数桁変化します。

セラミックPTCサーミスタは、チタン酸バリウムをベースに他の多結晶セラミック材料をドープして製造され、抵抗が低く半導体特性があります。結晶の格子要素として化学価数の高い材料を意図的にドープすることにより、格子内のバリウムイオンまたはチタン酸イオンの一部がより高い価数のイオンに置き換えられ、導電性を生み出す一定数の自由電子が発生します。抵抗値が段階的に増加するPTCサーミスタ効果の理由は、材料構造が多数の小さな微結晶で構成され、粒界（結晶粒界）に電位障壁を形成し、電子が境界を越えて隣接領域に入るのを妨げ、高い抵抗をもたらすためです。この効果は低温では相殺されます。結晶粒界での高い誘電率と自発分極強度により、電位障壁の形成が妨げられ、低温で電子が自由に流れるようになります。 高温では、この効果により誘電率と分極強度が大幅に低下し、電位障壁と抵抗が大幅に増加し、強い PTC 効果を発揮します。

セラミックPTCの抵抗温度特性（RT特性）

抵抗温度特性は、一般に抵抗温度特性と呼ばれ、PTCサーミスタのゼロ電力抵抗と指定された電圧での抵抗体の温度との関係を指します。PTCサーミスタは電源投入後に表面温度と抵抗値が急激に変化するため、通電状態で抵抗温度特性曲線を測定することは通常困難です。抵抗温度特性曲線は通常、接続されていないセラミックPTCチップをオーブンに入れ、温度を調整して安定させ、さまざまな温度で対応する抵抗値を測定し、最後に抵抗温度特性曲線を描くことによって得られます。

R c スイッチ抵抗

R p 最大動作抵抗

R max 最大抵抗

R mim 最小抵抗

T c キュリー温度

T p 最大動作温度

Tmax 最高温度

T min 最低温度

抵抗温度特性を特徴付ける重要なパラメータは温度係数であり、これは抵抗温度特性曲線の急峻さを反映します。温度係数PTCサーミスタは温度変化に対してより敏感です。つまり、PTC効果が顕著であるほど、対応するPTCサーミスタの性能が向上し、耐用年数が長くなります。PTCサーミスタの温度係数は、温度変化によって引き起こされる抵抗の相対的な変化として定義されます。=(lgR2-lgR1)/(T2-T1)、一般に、T1はTc+15度、T2はTc+25度を取り、温度係数を計算します。

セラミックPTCの電圧・電流特性（VI特性）

電圧電流特性（ボルトアンペア特性とも略される）は、熱バランスをとるために電気負荷がかかったときの PTC サーミスタの電圧と電流の相互依存性を示します。セラミック PTC サーミスタの電源を入れると、電圧の増加とともに電流が急速に増加します。キュリー温度に達すると、電流が最大になり、PTC サーミスタは PTC 領域に入ります。PTC サーミスタのボルトアンペア特性は、おおまかに 3 つの領域に分けられます。

0-Vk 間の領域は線形領域と呼ばれ、この領域での電圧と電流の関係は基本的にオームの法則に準拠しており、大きな非線形変化はなく、非作用領域とも呼ばれます。

VkとVmaxの間の領域はジャンプゾーンと呼ばれます。このとき、PTCサーミスタの自己発熱により、抵抗値がジャンプし、電圧の増加とともに電流が減少します。そのため、この領域はアクションゾーンとも呼ばれます。この領域での電流と電圧の残差積は一定のままで、定電力特性を示します。定電力特性領域の電圧範囲が広いため、電圧が変化しても、PTCサーミスタは一定の温度を維持します。

VD 以上の領域はブレークダウンゾーンと呼ばれます。このとき、電圧の増加に伴って電流が増加し、PTC サーミスタの抵抗は指数関数的に減少します。したがって、電圧と電流が高くなるほど、PTC サーミスタの温度は高くなり、抵抗は低くなります。これにより、PTC サーミスタは急速に熱破壊に至ります。

PTC部品の故障のメカニズム

セラミック PTC 部品の破壊は、主に粒界破壊と熱破壊に分けられます。

5.1 粒界破壊：結晶粒の異常成長や不均一な分布により一部の粒界に過剰な電圧が加わることで発生する破壊を粒界破壊といいます。

1963 G Goodman は、単結晶 BaTiO3 単独半導体ドーピングでは PTC 効果が示されないのに対し、多結晶 BaTiO3 セラミックドーピングでは PTC 効果が示されることを指摘しました。それ以来、PTC は国際的に一般的に粒界現象として分類されています。PTC 部品では、粒子は半導体に属し、粒界はポテンシャル障壁である絶縁層に属します。外部電界は主に粒界層に適用されます。粒径が小さいほど、単位厚さあたりの粒界の数が多くなり、各粒界に割り当てられる有効電圧が小さくなるため、圧電抵抗効果が低下し、電圧抵抗が増加します。粒径がより不均一な場合、セラミック内にいくつかの大きな粒子や異常な粒子が存在する可能性があり、これが抵抗率の低いチャネルを形成し、電圧抵抗を低下させます。実際の製造では、特定の添加剤を適切に追加し、焼結プロセスの加熱条件を改善することで、異常な粒子の発生を効果的に防止できます。 実際の製造では、600V の極間耐電圧テストによって異常な粒子を含む PTC セラミック シートを検出できます。

熱破壊：PTC部品の動作点が抵抗温度特性の最高点を超えてNTC段階に入り、温度が急上昇して熱破壊が発生します。熱破壊に影響を与える要因は、主に電圧の影響、動作温度、環境雰囲気、極間耐電圧試験方法に関係しています。

PTC の抵抗温度特性曲線は図の曲線 A に示されており、温度が上昇するにつれて抵抗値が段階的に増加することを示しています。キュリー点が 250 度の PTC は、約 320 度 (変曲点温度と呼ばれる) で最大値に達します。これは数百キロオーム以上です。変曲点に達した後、温度が再び上昇すると、コンポーネントの RT 特性は NTC 特性を示します。つまり、温度が上昇するにつれて抵抗が減少します。

上記の曲線は、PTC がゼロ電力条件、つまりテスト電流が 2mA 未満 (この電流では PTC が加熱されない) で測定したもので、静的 RT 特性です。実際、PTC に電圧が負荷されると、温度による抵抗変化の振幅 (抵抗上昇比) が大幅に減少し、図の曲線 B に示すように、抵抗温度特性曲線は平坦になる傾向があります。これがいわゆる電圧効果です。電圧が高いほど、PTC の電圧効果が顕著になります。そのため、500V 耐電圧テストのプロセス中に、性能の悪い PTC セラミック シートは破損しやすく、テスト電圧が高いほど、破損の可能性が高くなります。現在の PTC 業界標準によると、一般的な工場検査の耐電圧テストは 500V の電圧で実行されます。

PTC に一定の電圧を印加すると、それ自体で発生した熱が外部との熱交換と平衡状態に達し、この平衡状態の温度を動作温度といいます。動作温度に影響を与える要因は、印加電圧と放熱条件に関係しています。キュリー点が 250 度のセラミック PTC を例にとると、一定の換気条件下でテストした場合、220 V の電圧を印加すると、セラミック PTC の動作温度は 258 度になります。電圧が高くなると、動作温度も高くなります。500 V の電圧を印加すると、セラミック PTC の動作温度は 281 度になり、これは 320 度の転換点温度に近くなります。セラミック PTC は故障しやすいです。換気のない状態では、セラミック PTC ヒーターの放熱条件が悪くなります。このとき、耐電圧テストが高いほど、転換点に近づく可能性が高くなり、故障率の割合が増加します。 したがって、定格電圧220V、キュリー点250度のセラミックPTCヒーターの場合、定格電圧は換気なしで500V耐電圧でテストされるため、定格電圧は500Vです。220V、キュリー点250度のPTCセラミックシートの選択、および室温R25抵抗器の一般的な選択範囲

放熱条件には、アルミ管やアルミストリップのサイズ、波形板の間隔、エアコン内部のPTC電気ヒーターの設置位置、エアダクトの妥当性などの要素が含まれます。アルミ管やアルミストリップのサイズが大きいほど、放熱条件は良くなります。波形板の間隔を適切に狭めると、波形板の面積を増やすことができ、放熱条件が向上します。エアコン内部のPTC電気ヒーターの設置角度は、波形板を通過する空気の流れを促進し、放熱条件を改善します。エアコンのエアダクト設計が空気の流れの循環を促進するほど、PTCの放熱条件は良くなります。

また、電力の選択も放熱条件に影響を与える重要な要素です。ヒーターの加熱力を向上させるために、PTC部品の数を増やすと、各部品が加熱力を十分に活用できなくなり、内部の動作温度が上昇します。主な理由は、PTC電気ヒーターの設計サイズが決まると、放熱面積も決まるためです。PTC部品の数が増えると、PTC部品1個あたりの平均放熱面積が減少し、PTCセラミックシートの熱密度が増加します。たとえば、XX * 580サイズのPTC電気ヒーターは、32 * 12 * 2.4mmのセラミックプレートを使用します。14枚のプレートの電力は900Wに達しますが、20枚のプレートの電力は1000Wにしか達しません。データによると、14枚のプレートの電力は64Wで、20枚のプレートの電力は50Wです。 これは、セラミックプレートの増加に伴ってユニットの放熱面積が減少し、その結果、熱密度が高くなり、動作環境が厳しくなり、故障の可能性が高まりやすいことを示しています。

PTC の内部構造は、結晶粒と結晶粒界で構成されています。PTC の抵抗も、結晶粒と結晶粒界の抵抗で構成されています。PTC の常温での抵抗は結晶粒によって決まり、抵抗は非常に小さいです。結晶粒界は導電性です。温度がキュリー温度を超えると、結晶粒界の抵抗が急激に増加し、数百キロオーム、さらにはメガオームに達します。これは、PTC の焼結および冷却プロセス中に、結晶粒界が酸素雰囲気中の十分な酸素原子を吸収し、結晶粒界のバリア層の高さが増加し、優れた PTC 特性が得られるためです。使用中、PTC が配置されている環境の酸素分圧が低い場合、結晶粒界上の高濃度の酸素原子が徐々に拡散して外部の低濃度に溢れ、PTC の結晶粒界抵抗が低下し、揚力対抗力比が低下し、PTC 特性が著しく低下し、最終的に耐電圧性が低下し、PTC が故障します。

セラミックPTCシートの品質は、耐電圧性と破壊を決定する重要な要素です。信頼性の高いサプライヤーを選択し、セラミックPTCシートの厳格​​な受入検査を実施して、高耐電圧性と高温度係数のPTCシートを選択する必要があります。

加熱プロセス中に PTC ヒーターと還元雰囲気との接触を減らすために、業界では PTC セラミック シートの端を接着剤でコーティングして酸素原子の拡散を減らし、圧縮強度を向上させる方法があります。

⑶ PTC電気加熱電力の設計