晶闸管在低温高海拔环境下的可靠性优化建议

在实际使用中，必须根据整机的可靠性要求来选用合适质量等级的器件，不能用降额补偿的方法来解决低质量器件的使用问题。器件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性由生产者在器件设计、工艺和原材料选用等过程的质量控制所决定，是在设计阶段赋予的，并在制造过程中加以保障。使用可靠性主要由器件使用者对元器件的选用、采购、使用设计、静电防护和筛选等过程的质量控制所决定。即在使用过程中（包装、运输、贮存、安装后）存在的可靠性。

1.固有可靠性

固有可靠性受限于器件的可靠性设计。可靠性设计是指在进行器件功能和特性设计的同时，针对器件在以后工作条件和应用环境下，以及在规定的工作时间内可能出现的失效模式，采取相应的设计技术，使这些失效模式能得到控制或消除，从而使设计同时满足功能、特性及可靠性要求。可靠性设计的思路是查找器件或工艺设计中可靠性薄弱环节，改进电路或器件的结构或工艺设计，减少引起失效的应力条件，提高器件在电路中各种应力作用下不发生失效的能力。比如在IGBT结构中，最薄弱环节为p基区的横向电阻，在温度和电应力的作用下，容易诱发IGBT闩锁，所以在结构设计时要特别加以考虑，参见5.4.3节的防闩锁设计。

常规可靠性设计技术包括降额设计、冗余设计、热分析与热设计等。降额设计就是指在系统设计时对器件进行降额使用，使器件工作时承受的工作应力适当低于其额定值，从而达到降低系统基本故障率、提高使用可靠性的目的。降额设计的关键是降额度与效果。冗余设计是在构成系统时，增加一些后备单元，在工作中即使有一个单元失效，但整个系统仍能正常工作，这类系统叫冗余系统（又称贮备系统）。比如高压直流输电系统的换流阀，需要75个晶闸管，通常采用78个晶闸管，其中3个就是冗余设计时需要的。热分析是为了获得产品的温度分布，热设计是采取温度控制措施来控制设备的温度。由于电力半导体器件的可靠性对温度是非常敏感的，通过热分析与热设计，进行合理的温度布局和温度控制，从而提高器件的可靠性。

在器件设计与制造时，应尽量提高器件的固有可靠性，如采用薄片工艺降低器件的通态压降及高温漏电流，减小总损耗；采用合适的横向结构设计，增加晶闸管di/dt和du/dt耐量，提高IGBT的闩锁电流容量及雪崩耐量，以及抗浪涌电流及短路电流冲击的能力。(www.xing528.com)

2.使用可靠性

电力半导体器件特性参数与其所处的使用环境条件密切相关。在器件贮存、运输及工作过程中可能遇到的环境条件包括温度、湿度、沙尘、盐雾、低气压、振动、冲击及辐射等。器件使用环境不同，需要考虑的使用条件也不同。比如晶闸管在低温、高海拔环境下工作时，与常温下有所不同，需要合理地使用，保证其可靠地工作。因为晶闸管出厂时，阻断电压、漏电流、di/dt、du/dt等参数都是在额定结温下的测试值，这几项参数在低温下仍可保证其性能；但门极触发电流和触发电压是25℃时的测试值，并随温度降低而增加。在-40℃时晶闸管的门极触发电流值会比25℃时增加一倍，门极触发电压约增加30%，因此要保证设备可靠启用，需要足够强度的晶闸管门极触发电流（I_GM=10I_GT）。采用强触发措施，可提高器件的di/dt耐量、减小开通时间和开通损耗，有利于器件串、并联运行。在高海拔条件下，风冷散热器的散热能力会减小，但较低的环境温度又有利于器件散热，因此在使用中须根据现场可能出现的最高环境温度考虑器件与散热器的选择，要留有一定电流裕度。如果设备非常频繁地启用、停止，器件频繁地在-35-125℃之间进行温度循环，器件的寿命及可靠性会比正常工作时有所降低，使用中应注意。

为了提高器件的使用可靠性，在器件投入使用前，针对某些敏感的应力条件，需进行相关的可靠性环境试验，如高温贮存（或工作）试验、温度循环试验、热冲击试验、低气压试验、耐湿试验、盐雾试验、辐照试验及长期工作寿命试验等，对器件加以筛选。在实际应用中，还需根据器件的工作环境，选用合适的器件。比如在潮湿和盐雾的地区，尽量避免使用气密性差的塑封器件；在辐射环境工作的器件，除了采用全屏蔽和良好的接地等措施外，对器件进行抗辐射加固，提高器件自身的抗辐射能力。特别是在高温潮湿、沙尘及高海拔等恶劣的环境条件下，还要防宇宙射线感生的中子对MOS型器件的损伤。因此，对器件进行有效保护和降额使用很有必要。