電力電子器件的熱失效及其管理研究

張 賓

（安徽省蚌埠市蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院設(shè)備科，安徽 蚌埠 233000）

0 引 言

電子器件由于受到熱應(yīng)力積累效應(yīng)、其他化學(xué)反應(yīng)等影響易導(dǎo)致器件失效，其中造成電子器件失效的主要原因是溫度過高。通過對電力電子器件的科學(xué)管理，在故障發(fā)生前管理防范對任務(wù)有影響的模式，從而有效提升電力電子器件的熱可靠性能。

1 電力電子器件熱故障管理及措施

1.1 熱故障機(jī)理與現(xiàn)狀

要科學(xué)合理得進(jìn)行熱故障管理，需要分析熱功能原理，并在分析過程中找出產(chǎn)生熱失效的原因和導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。電力電子器件無論是靜態(tài)休息還是動態(tài)運(yùn)行中都存在能量損耗情況，導(dǎo)致該零件的熱量與其他部位的芯片零件產(chǎn)生一定的溫度差，從而使溫度差轉(zhuǎn)化成熱量。這種熱量通常以輻射或者傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞。

因?yàn)樵S多熱故障都是隱形故障，所以在失效調(diào)查時很難發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因是間歇性失效。由于不能查找出具體原因，所以出現(xiàn)故障時不能及時進(jìn)行維修，即便重新安裝也會導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可能引發(fā)一系列問題，并因找不出故障的具體原因而付出高昂的反復(fù)維修費(fèi)用[1]。

1.2 熱失效與溫度的關(guān)系

運(yùn)行過程中，器件溫度過高與失效率呈指數(shù)形式不斷增長，而這種增長形式只是一種較為相近的關(guān)系。除了器件高溫之外，還有其他模式造成器件不能使用。許多熱值失效對設(shè)置中的一些物理化學(xué)成分造成一系列結(jié)構(gòu)變化，且這種變化由于溫度的上升而不斷加劇，使其在高溫下失效。反言之，當(dāng)器件溫度同室內(nèi)溫度環(huán)境相似時，工作溫度失效率也隨之降低。這是因?yàn)槠骷诠ぷ鬟\(yùn)轉(zhuǎn)過程中與室內(nèi)的溫度產(chǎn)生加大的溫度差時，會對化學(xué)變化速度減少不利影響，使其失效速度隨之快速下降。因?yàn)槠骷牧喜煌?，器件收縮程度不同，從而對器件的熱度有所增加。同時，這會令器件中凝結(jié)的水發(fā)生腐蝕或者短路現(xiàn)象，所以在很低的溫度下器件的失效率同樣會增加。綜合所述，工作環(huán)境是電力電子器件熱管理的主要成因[2]。

1.3 熱管理常用措施

在保持電力電子器件原始設(shè)計的同時，要預(yù)防器件發(fā)生任何故障，需要利用電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計管理。通過漏熱熱阻、傳導(dǎo)電阻以及輻射散熱等相關(guān)路徑防止熱致失效，提升器件的可靠性，降低經(jīng)濟(jì)損失。另外，設(shè)計過程中，應(yīng)注意定型后改進(jìn)熱設(shè)計的成本要比事先熱設(shè)計的成本高。為此，要想有效改進(jìn)熱設(shè)計，應(yīng)該減少多個影響電力電子致熱的因素。

2 常見熱失效模式管理

體內(nèi)玷污、封裝問題以及機(jī)械問題等，都是造成可控硅失效的主要原因。優(yōu)化的失效管理模式，不但在生產(chǎn)過程中對參數(shù)和設(shè)計機(jī)理有著很好的預(yù)防效果，還會在器件失效的過程進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。通過觀察熱點(diǎn)發(fā)生情況，同分析器件的失效原因進(jìn)行對比得出結(jié)論，從而為電力電子器件的熱失效診斷提供良好的科學(xué)數(shù)據(jù)[3]。

2.1 電流上升過快造成失效

通電后，電流上升速度過快會使器件存在一定的危險，這種危險產(chǎn)生的熱點(diǎn)多是由低阻值、電容放電、電路不良等諸多因素觸發(fā)的。所以，出現(xiàn)燒壞點(diǎn)是經(jīng)常發(fā)生的事情。依據(jù)觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前如果因觸發(fā)相關(guān)因素產(chǎn)生任何不適，會出現(xiàn)如同針眼般細(xì)小的燒壞點(diǎn)。但是，出現(xiàn)高控制觸發(fā)會把電力電子器件燒成弧形，甚至?xí)央娏﹄娮悠骷蹮浮?/p>

遇到這種問題時，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的控制觸發(fā)器。其中，中心觸發(fā)控制極可以提升電流上升率。因?yàn)檫@種中心觸發(fā)器可以增加環(huán)形面積。同中心觸發(fā)器件相比，邊緣觸發(fā)器件需要根據(jù)硅片直徑進(jìn)行[4]。

2.2 過電壓與瞬間過壓造成失效

過電壓能夠?qū)煽毓柙斐啥喾N損壞，也就是說在電壓失效時，通常是因?yàn)槠骷狳c(diǎn)過熱才會燒壞針眼大小的范圍，當(dāng)電力電子器件體內(nèi)漏電過多時也會增大燒壞面積。這需要采用優(yōu)良合理的科學(xué)設(shè)計，尋找合適的參數(shù)與電路與之相匹配，防止抑制系統(tǒng)出現(xiàn)問題。假如陽極與陰極之間的兩端產(chǎn)生很陡的電壓，那么在電容器會有電流經(jīng)過。該電流與控制極電流的作用相似，這時電力電氣器件不再受任何控制，很大程度上造成嚴(yán)重?zé)龤В孕璨捎每茖W(xué)合理的對應(yīng)措施，以抑制器件兩端存在的電壓。

2.3 熱設(shè)計不合理造成失效

半導(dǎo)體使用過程中，不能超過半導(dǎo)體預(yù)設(shè)的溫度定額。如果器件溫度過高，會造成器件損壞。當(dāng)半導(dǎo)體功率到達(dá)預(yù)定電壓時，會造成漏電現(xiàn)象，使其電力電氣器件發(fā)熱，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的漏電現(xiàn)象，增加器件的消耗令器件溫度過高，長此以往造成電力電子器件損壞。

在半導(dǎo)體接近設(shè)置溫度時，技術(shù)人員必須確保電力電子器件產(chǎn)生的功率值小于等于功率消散數(shù)值。當(dāng)電力電子器件大于功率消散值時，會出現(xiàn)熱電擊穿現(xiàn)象。這是因?yàn)槁╇姇a(chǎn)生一定的熱度，為此當(dāng)電力電子器件溫度過高時，會令功率無法消散。為了有效防止產(chǎn)生過高的溫度，技術(shù)人員要采用科學(xué)合理的應(yīng)對方法，選擇適合的參數(shù)值進(jìn)行散熱，使其擁有良好的散熱渠道[5]。

2.4 模塊浪涌電流沖擊導(dǎo)致失效

在額定結(jié)溫正常工作運(yùn)行狀態(tài)下，電力電子器件能夠承受較大的浪涌電流沖擊，且不會造成損壞。在浪涌電流出現(xiàn)時，結(jié)溫值會在極短的時間內(nèi)上升或超過設(shè)定的溫度。電力電子器件的熱值穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量不會輕易散去。當(dāng)器件重復(fù)失效時，器件將無法在自身冷卻后到達(dá)額定溫度范圍。如果浪涌電流超過預(yù)期數(shù)值，會造成沒有散熱的區(qū)域受到影響。

3 電力電子器件熱管理可靠性的設(shè)計評審

3.1 設(shè)計評審提升電力電子器件熱管理效率

技術(shù)人員要建立評審團(tuán)隊，且該評審團(tuán)隊中必須有電子系統(tǒng)設(shè)計師。此外，團(tuán)隊中還要有其他技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計師加入，對供應(yīng)商以及忠實(shí)顧客等設(shè)計的指標(biāo)進(jìn)行鼓勵確認(rèn)。在設(shè)計評審過程中，評審人員必須對其產(chǎn)品的使用、維修等諸多環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)評估，并在評估時充分考慮產(chǎn)品的使用性能和安全因素，同時要考慮熱承受最大值和變化率因素。另外，環(huán)境中氣溫變化、空氣中攜帶的腐蝕性以及相對潮濕的環(huán)境，也需要在評審時考慮。

3.2 加大電力電子器件熱管理的設(shè)計評審

硬件在接受環(huán)境試驗(yàn)時，只要超出預(yù)定的載荷數(shù)值就會導(dǎo)致失效。在全面分析可靠性能時，技術(shù)人員要準(zhǔn)確掌握載荷出現(xiàn)的概率值。即便這種特殊極端的概率事件不現(xiàn)實(shí)，只要從失效記錄中找取相關(guān)數(shù)值，依然能摸索出數(shù)據(jù)值。

3.3 電力電子器件熱管理需要加強(qiáng)設(shè)計評審

設(shè)計評審過程中，技術(shù)設(shè)計師需要提供正式報告以及相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計說明，并對該設(shè)計進(jìn)行簡短產(chǎn)品介紹，介紹完畢后對其質(zhì)疑性問題進(jìn)行詳細(xì)解答。當(dāng)設(shè)計評審?fù)ㄟ^團(tuán)隊的方式進(jìn)行評審時，需要對評審結(jié)果進(jìn)行研究討論，才能確保設(shè)計評審時公開公平公正。另外，在正式評審前，技術(shù)人員要提前準(zhǔn)備好熱設(shè)計的詳細(xì)資料，避免在設(shè)計評審過程中發(fā)生臨時修改的事件，還要確保設(shè)計資料提供的是最新可靠數(shù)據(jù)值，盡量避免出現(xiàn)模棱兩可的問題[6]。

4 結(jié) 論

以熱失效的角度對電力電子器件中常見的熱失效原因進(jìn)行分析，在分析探索中尋找科學(xué)合理的解決方法。筆者認(rèn)為，技術(shù)人員應(yīng)從其設(shè)計質(zhì)量以及諸多管理方面實(shí)施把控，從而有效解決熱失效存在的問題。此外，要在數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)中尋找熱失效的最終核心依據(jù)，通過數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)探究尋找，使其能夠科學(xué)合理地優(yōu)化電力電子器件中的熱設(shè)計，從而使電力電子器件中的熱失效能夠達(dá)到良好的防范效果。