電力電子器件熱失效及管理研究
時(shí)間:2022-10-17 11:17:56
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摘要:針對(duì)電力電子器件熱管理始終難以解決的問(wèn)題,需采用科學(xué)合理的管理方法改變熱設(shè)計(jì),以提升熱設(shè)計(jì)的可靠性。具體地,分析電力電子器件熱失效故障以及措施,詳細(xì)探討電力電子器件熱失效的過(guò)程,重視設(shè)計(jì)評(píng)審的重要性,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。
關(guān)鍵詞:電力電子器件;熱管理;熱失效
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(guò)高。通過(guò)對(duì)電力電子器件的科學(xué)管理,在故障發(fā)生前管理防范對(duì)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(guò)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(wú)論是靜態(tài)休息還是動(dòng)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(shí)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(shí)不能及時(shí)進(jìn)行維修,即便重新安裝也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn),從而可能引發(fā)一系列問(wèn)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(guò)程中,器件溫度過(guò)高與失效率呈指數(shù)形式不斷增長(zhǎng),而這種增長(zhǎng)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(duì)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(shí),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(guò)程中與室內(nèi)的溫度產(chǎn)生加大的溫度差時(shí),會(huì)對(duì)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)槠骷牧喜煌骷湛s程度不同,從而對(duì)器件的熱度有所增加。同時(shí),這會(huì)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(huì)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(jì)的同時(shí),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(jì)管理。通過(guò)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(jì)過(guò)程中,應(yīng)注意定型后改進(jìn)熱設(shè)計(jì)的成本要比事先熱設(shè)計(jì)的成本高。為此,要想有效改進(jìn)熱設(shè)計(jì),應(yīng)該減少多個(gè)影響電力電子致熱的因素。
2常見(jiàn)熱失效模式管理
體內(nèi)玷污、封裝問(wèn)題以及機(jī)械問(wèn)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(guò)程中對(duì)參數(shù)和設(shè)計(jì)機(jī)理有著很好的預(yù)防效果,還會(huì)在器件失效的過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。通過(guò)觀察熱點(diǎn)發(fā)生情況,同分析器件的失效原因進(jìn)行對(duì)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(guò)快造成失效。通電后,電流上升速度過(guò)快會(huì)使器件存在一定的危險(xiǎn),這種危險(xiǎn)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(huì)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(huì)把電力電子器件燒成弧形,甚至?xí)央娏﹄娮悠骷蹮浮S龅竭@種問(wèn)題時(shí),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(guò)電壓與瞬間過(guò)壓造成失效。過(guò)電壓能夠?qū)煽毓柙斐啥喾N損壞,也就是說(shuō)在電壓失效時(shí),通常是因?yàn)槠骷狳c(diǎn)過(guò)熱才會(huì)燒壞針眼大小的范圍,當(dāng)電力電子器件體內(nèi)漏電過(guò)多時(shí)也會(huì)增大燒壞面積。這需要采用優(yōu)良合理的科學(xué)設(shè)計(jì),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(wèn)題。假如陽(yáng)極與陰極之間的兩端產(chǎn)生很陡的電壓,那么在電容器會(huì)有電流經(jīng)過(guò)。該電流與控制極電流的作用相似,這時(shí)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(duì)應(yīng)措施,以抑制器件兩端存在的電壓。2.3熱設(shè)計(jì)不合理造成失效。半導(dǎo)體使用過(guò)程中,不能超過(guò)半導(dǎo)體預(yù)設(shè)的溫度定額。如果器件溫度過(guò)高,會(huì)造成器件損壞。當(dāng)半導(dǎo)體功率到達(dá)預(yù)定電壓時(shí),會(huì)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(guò)高,長(zhǎng)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(shí),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(shí),會(huì)出現(xiàn)熱電擊穿現(xiàn)象。這是因?yàn)槁╇姇?huì)產(chǎn)生一定的熱度,為此當(dāng)電力電子器件溫度過(guò)高時(shí),會(huì)令功率無(wú)法消散。為了有效防止產(chǎn)生過(guò)高的溫度,技術(shù)人員要采用科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)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(huì)造成損壞。在浪涌電流出現(xiàn)時(shí),結(jié)溫值會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)上升或超過(guò)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(huì)輕易散去。當(dāng)器件重復(fù)失效時(shí),器件將無(wú)法在自身冷卻后到達(dá)額定溫度范圍。如果浪涌電流超過(guò)預(yù)期數(shù)值,會(huì)造成沒(méi)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(jì)評(píng)審
3.1設(shè)計(jì)評(píng)審提升電力電子器件熱管理效率。技術(shù)人員要建立評(píng)審團(tuán)隊(duì),且該評(píng)審團(tuán)隊(duì)中必須有電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師。此外,團(tuán)隊(duì)中還要有其他技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計(jì)師加入,對(duì)供應(yīng)商以及忠實(shí)顧客等設(shè)計(jì)的指標(biāo)進(jìn)行鼓勵(lì)確認(rèn)。在設(shè)計(jì)評(píng)審過(guò)程中,評(píng)審人員必須對(duì)其產(chǎn)品的使用、維修等諸多環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估,并在評(píng)估時(shí)充分考慮產(chǎn)品的使用性能和安全因素,同時(shí)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(duì)潮濕的環(huán)境,也需要在評(píng)審時(shí)考慮。3.2加大電力電子器件熱管理的設(shè)計(jì)評(píng)審。硬件在接受環(huán)境試驗(yàn)時(shí),只要超出預(yù)定的載荷數(shù)值就會(huì)導(dǎo)致失效。在全面分析可靠性能時(shí),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(jì)評(píng)審。設(shè)計(jì)評(píng)審過(guò)程中,技術(shù)設(shè)計(jì)師需要提供正式報(bào)告以及相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明,并對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)短產(chǎn)品介紹,介紹完畢后對(duì)其質(zhì)疑性問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)解答。當(dāng)設(shè)計(jì)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)團(tuán)隊(duì)的方式進(jìn)行評(píng)審時(shí),需要對(duì)評(píng)審結(jié)果進(jìn)行研究討論,才能確保設(shè)計(jì)評(píng)審時(shí)公開(kāi)公平公正。另外,在正式評(píng)審前,技術(shù)人員要提前準(zhǔn)備好熱設(shè)計(jì)的詳細(xì)資料,避免在設(shè)計(jì)評(píng)審過(guò)程中發(fā)生臨時(shí)修改的事件,還要確保設(shè)計(jì)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(wèn)題[6]。
4結(jié)論
以熱失效的角度對(duì)電力電子器件中常見(jiàn)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(jì)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(wèn)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(guò)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(jì),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。
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作者:張賓 單位:安徽省蚌埠市蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院設(shè)備科