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學院第一附屬醫院設備科，安徽 蚌埠 233000）

0 引 言

電子器件由于受到熱應力積累效應、其他化學反應等影響易導致器件失效，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管理，在故障發生前管理防范對任務有影響的模式，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 熱故障機理與現狀

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

因為許多熱故障都是隱形故障，所以在失效調查時很難發現，產生此種現象的主要原因是間歇性失效。由于不能查找出具體原因，所以出現故障時不能及時進行維修，即便重新安裝也會導致系統無法正常運轉，從而可能引發一系列問題，并因找不出故障的具體原因而付出高昂的反復維修費用[1]。

1.2 熱失效與溫度的關系

運行過程中，器件溫度過高與失效率呈指數形式不斷增長，而這種增長形式只是一種較為相近的關系。除了器件高溫之外，還有其他模式造成器件不能使用。許多熱值失效對設置中的一些物理化學成分造成一系列結構變化，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，當器件溫度同室內溫度環境相似時，工作溫度失效率也隨之降低。這是因為器件在工作運轉過程中與室內的溫度產生加大的溫度差時，會對化學變化速度減少不利影響，使其失效速度隨之快速下降。因為器件材料不同，器件收縮程度不同，從而對器件的熱度有所增加。同時，這會令器件中凝結的水發生腐蝕或者短路現象，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計的同時，要預防器件發生任何故障，需要利用電子設備進行熱設計管理。通過漏熱熱阻、傳導電阻以及輻射散熱等相關路徑防止熱致失效，提升器件的可靠性，降低經濟損失。另外，設計過程中，應注意定型后改進熱設計的成本要比事先熱設計的成本高。為此，要想有效改進熱設計，應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

體內玷污、封裝問題以及機械問題等，都是造成可控硅失效的主要原因。優化的失效管理模式，不但在生產過程中對參數和設計機理有著很好的預防效果，還會在器件失效的過程進行準確判斷。通過觀察熱點發生情況，同分析器件的失效原因進行對比得出結論，從而為電力電子器件的熱失效診斷提供良好的科學數據[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，這種危險產生的熱點多是由低阻值、電容放電、電路不良等諸多因素觸發的。所以，出現燒壞點是經常發生的事情。依據觀察可以發現，當前如果因觸發相關因素產生任何不適，會出現如同針眼般細小的燒壞點。但是，出現高控制觸發會把電力電子器件燒成弧形，甚至會把電力電子器件熔燒透。

遇到這種問題時，技術人員應該根據具體情況選擇合適的控制觸發器。其中，中心觸發控制極可以提升電流上升率。因為這種中心觸發器可以增加環形面積。同中心觸發器件相比，邊緣觸發器件需要根據硅片直徑進行[4]。

2.2 過電壓與瞬間過壓造成失效

過電壓能夠對可控硅造成多種損壞，也就是說在電壓失效時，通常是因為器件熱點過熱才會燒壞針眼大小的范圍，當電力電子器件體內漏電過多時也會增大燒壞面積。這需要采用優良合理的科學設計，尋找合適的參數與電路與之相匹配，防止抑制系統出現問題。假如陽極與陰極之間的兩端產生很陡的電壓，那么在電容器會有電流經過。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，很大程度上造成嚴重燒毀，所以需采用科學合理的對應措施，以抑制器件兩端存在的電壓。

2.3 熱設計不合理造成失效

半導體使用過程中，不能超過半導體預設的溫度定額。如果器件溫度過高，會造成器件損壞。當半導體功率到達預定電壓時，會造成漏電現象，使其電力電氣器件發熱，從而產生嚴重的漏電現象，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。

在半導體接近設置溫度時，技術人員必須確保電力電子器件產生的功率值小于等于功率消散數值。當電力電子器件大于功率消散值時，會出現熱電擊穿現象。這是因為漏電會產生一定的熱度，為此當電力電子器件溫度過高時，會令功率無法消散。為了有效防止產生過高的溫度，技術人員要采用科學合理的應對方法，選擇適合的參數值進行散熱，使其擁有良好的散熱渠道[5]。

2.4 模塊浪涌電流沖擊導致失效

在額定結溫正常工作運行狀態下，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。在浪涌電流出現時，結溫值會在極短的時間內上升或超過設定的溫度。電力電子器件的熱值穩定，導致產生的熱量不會輕易散去。當器件重復失效時，器件將無法在自身冷卻后到達額定溫度范圍。如果浪涌電流超過預期數值，會造成沒有散熱的區域受到影響。

3 電力電子器件熱管理可靠性的設計評審

3.1 設計評審提升電力電子器件熱管理效率

技術人員要建立評審團隊，且該評審團隊中必須有電子系統設計師。此外，團隊中還要有其他技術領域設計師加入，對供應商以及忠實顧客等設計的指標進行鼓勵確認。在設計評審過程中，評審人員必須對其產品的使用、維修等諸多環節進行詳細評估，并在評估時充分考慮產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，環境中氣溫變化、空氣中攜帶的腐蝕性以及相對潮濕的環境，也需要在評審時考慮。

3.2 加大電力電子器件熱管理的設計評審

硬件在接受環境試驗時，只要超出預定的載荷數值就會導致失效。在全面分析可靠性能時，技術人員要準確掌握載荷出現的概率值。即便這種特殊極端的概率事件不現實，只要從失效記錄中找取相關數值，依然能摸索出數據值。

3.3 電力電子器件熱管理需要加強設計評審

設計評審過程中，技術設計師需要提供正式報告以及相關數據設計說明，并對該設計進行簡短產品介紹，介紹完畢后對其質疑性問題進行詳細解答。當設計評審通過團隊的方式進行評審時，需要對評審結果進行研究討論，才能確保設計評審時公開公平公正。另外，在正式評審前，技術人員要提前準備好熱設計的詳細資料，避免在設計評審過程中發生臨時修改的事件，還要確保設計資料提供的是最新可靠數據值，盡量避免出現模棱兩可的問題[6]。

4 結 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行分析，在分析探索中尋找科學合理的解決方法。筆者認為，技術人員應從其設計質量以及諸多管理方面實施把控，從而有效解決熱失效存在的問題。此外，要在數據實驗中尋找熱失效的最終核心依據，通過數據實驗探究尋找，使其能夠科學合理地優化電力電子器件中的熱設計，從而使電力電子器件中的熱失效能夠達到良好的防范效果。