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功率器件的设计规则

众所周知,大多数电子设备的可靠性都受温度影响。人们通常使用设计规则来比较故障率的数字,其中一条设计规则显示组件在65℃以下的环境下工作时,温度每上升10℃,故障率便增加一倍。这个常用的规则是基于以下的假定:用作比较的产品是用类似的设计和制造原理制作的,而组件是在相近的条件下工作(例如,在指定的外围环境下,芯片的温度也相同)。实际上,不同的设计条件会对模块的整体性能及可靠性造成影响。文章来源:http://www.igbt8.com/sr/248.html
    根据另一个设计规则,如果组件是在其额定最高结温(Tjmax)的70% -80%下工作,将享有很高的可靠性。对半导体来说,Tjmax通常保证为+150℃或+175℃。根据这些数字,半导体器件的结温应该分别维持往低于+120℃和+135℃的水平。按照这个设计规则保持结温处于较低水平,将可大大地提高整个系统的可靠性。
功率器件制造商通过内部测试为功率器件制定了热指针或者降额曲线。这些测试通常是用风洞系统协助进行的,以确定在不同对流条件下功率器件的热性能。功率器件制造商都是按照自己的内部标准进行测试,而这些标准往往受到现有的测试设备、测试费用以及许多其他因素的影响。这些变量意味着功率器件的降额曲线会造成误导,设计人员应当考虑到这些内部测试的结果对设计带来的影响。
1)降额曲线。风洞有多种不同的形状和尺寸,加上功率器件可以放置在风洞的不同位置,这些都会影响测试结果。如究竟是风洞强迫空气流过功率器件还是空气可自由流过功率器件的四周,若气流系统庞大,则足以让气流在功率器件的四周流动。这与漏斗式风洞不同。漏斗式风洞强迫空气直接吹到功率器件上面。由于大多数的应用并不是采用漏斗式风洞或强迫式气流,因此非漏斗式测试程序将可得到最稳健的结果。
    气流的测量也是很重要的。应利用热线风速表直接测量功率器件前的气流,以保证流量的准确度。气流系统利用层流是比较保守稳健的方法,会获得较佳的测试结果。降额曲线是在最坏的方向上进行,确保在任何方向上功率器件的操作都不受影响。
    在测试过程中温度稳定的时间越长,测量的结果越准确。基于这个方法,测量结果足以保证温度的稳定性。虽然实际测试的时间会长一些,而准确性是预备热降额曲线最重要的一环。为了确保对系统运作及可靠性起着关键作用的组件获得最佳性能,在特殊应用的系统中要对功率器件的测试进行个别比较。
2)发热图像。确定热性能的另一个方法就是利用发热图像,即使用红外摄影机来测量温度。这对于确定正确的温度非常有效,但是设计人员必须深入研究有关功章器件的方向、气流的类型.稳定时间的长短等。比较热数据的最佳方法,是将不同的功率器件并排起来作红外扫描(包括不同方向和测试板)。
    在比较功率器件的可靠性指标时,首先要明了这些指标是在什么假定条件和情况下得到的。可靠性与热性能及工作温度的关系十分密切。工作温度每上升10℃,故障率就增大一倍。在典型的系统中,MTBF(无故障平均工作时间)的计算是非常有意义的,但由于受到机柜内其他组件所产生的热量的影响,功率器件附近空气的温度一般在55℃左右。这就需要在设计中选用的功率器件必须能够在温度上升时提供最高效率,需要最少的散热,在底板(基板)中温度上升的幅度最少。
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