電力電子器件失效機理與可靠性

唐勇 汪波

[摘 要] 作為電能變換與控制中核心部件的電力電子器件，其可靠性也成為決定整個變換裝置安全運行的最重要因素。針對電力電子器件的缺陷、隨機、疲勞三種失效的產(chǎn)生機理與作用關(guān)系進行分析，指出了避免電力電子器件失效發(fā)生與提高可靠性的有效方法和措施。

[關(guān)鍵詞] 電能變換;電力電子器件;失效機理;可靠性

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，采用各種電力電子裝置對電能的產(chǎn)生、輸送和使用進行高效、可靠的變換與控制，已經(jīng)成為節(jié)能減排、低碳環(huán)保、開發(fā)綠色新能源等應(yīng)用領(lǐng)域中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在這些大容量電力電子裝置中，電力電子器件是實現(xiàn)高性能電能變換與控制的核心部件。隨著電力電子器件的應(yīng)用日益廣泛，其工作電壓、電流等級也越來越高，工作結(jié)溫也不斷提升，同時工作環(huán)境更加惡劣，使用條件日益苛刻，對可靠性也提出了越來越嚴格的要求。國外有研究機構(gòu)對80個公司的200多件產(chǎn)品調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，接近40%的電力電子裝置故障都是由器件失效引起，因此電力電子器件的可靠性也成為決定整個裝置安全運行的最重要因素。

電力電子器件的可靠性與失效概率是直接相關(guān)的，衡量可靠性的標準是發(fā)生失效的概率大小。已有研究表明，電力電子器件的壽命周期可分為三個階段：初期、中期與晚期，與其對應(yīng)的三種失效分別為早期（缺陷）失效、中期（隨機）失效和晚期（疲勞）失效。下面對三種失效的失效原理和提升可靠性方法分別進行分析。

早期失效是電力電子器件本身的各種缺陷或損傷導(dǎo)致，產(chǎn)生原因有兩方面：一是制造過程中各種工藝上的缺陷，包括器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料質(zhì)量、設(shè)備工藝、操作人員熟練程度、質(zhì)量監(jiān)控的準確度等。二是在運輸、儲存、裝配以及使用過程中的不當(dāng)造成的損傷，如端子機械強度、絕緣、散熱等。缺陷失效可能在最初工作的幾百到上千小時內(nèi)發(fā)生，發(fā)生概率與承受的各種應(yīng)力，如電壓、電流、溫度、振動、濕度、鹽霧等都有關(guān)，失效概率隨工作時間延長而降低。

為有效降低缺陷失效的發(fā)生概率，需要從研制單位和最終用戶兩方面來開展工作：首先從研制單位來看，目前通常采用的檢測方法，一是參考已有的器件壽命測試方法，如IEC（國際電工委員會）標準進行抽檢;二是開展溫度沖擊與電壓偏置測試。另一方面，從最終用戶來看，通常會對采購到的器件進行萬用表通斷測試，或者搭建電路進行脈沖測試，在一些要求比較高的場合還會采用動、靜態(tài)參數(shù)測試設(shè)備進行參數(shù)測量。通過施加一定高壓力沖擊，使得缺陷失效及早暴露，從而剔除掉存在缺陷的器件，避免后續(xù)失效的發(fā)生。

中期失效的發(fā)生不是電力電子器件本身的原因，而是由某些隨機的外部因素，如過流、過壓、驅(qū)動故障、脈沖錯誤等引發(fā)，超出器件的安全工作范圍從而導(dǎo)致的失效，因此一般也稱為安全區(qū)失效。失效的發(fā)生具有一定的偶然性與隨機性，一般可認為發(fā)生的概率恒定且貫穿于工作的整個周期。

中期失效發(fā)生概率與電力電子器件的應(yīng)用設(shè)計水平以及外部工作條件直接相關(guān)，為減小失效發(fā)生需要設(shè)計與操作人員提高應(yīng)用設(shè)計水平、確保正確操作、保證外部工作環(huán)境安全等，包括器件應(yīng)用設(shè)計的選型、參數(shù)設(shè)計、驅(qū)動、保護、控制、散熱等各個方面。通過失效分析找出引發(fā)失效的原因也可對應(yīng)用條件進行改進，從而避免失效再次發(fā)生。

晚期失效發(fā)生在器件疲勞之后，電力電子器件內(nèi)部一般都是采用鍵合引線與多層焊接的復(fù)合結(jié)構(gòu)，層與層之間由于材料不同熱膨脹系數(shù)也不相同，工作時將承受溫度梯度與熱應(yīng)力的循環(huán)沖擊，長期累積后將導(dǎo)致材料疲勞老化從而引發(fā)的失效，發(fā)生失效的時間長短與承受的溫度梯度（熱應(yīng)力）直接相關(guān)。

為減少疲勞失效的發(fā)生主要有壽命預(yù)測和狀態(tài)監(jiān)測兩種方法。壽命預(yù)測是建立壽命模型對其一定工作條件下的壽命值進行計算，精確的壽命預(yù)測需根據(jù)具體工作條件開展試驗，耗時長，消耗大，可能需要幾個月時間甚至更長。狀態(tài)監(jiān)測指的是根據(jù)材料疲勞后引起的壓降、熱阻等外部特征量發(fā)生的變異情況，對電力電子器件的可靠性下降以及壽命進行評估，通過對這些特征量的實時監(jiān)控還可實現(xiàn)可靠性的在線評估。

總而言之，在電力電子器件的整個壽命周期三種失效疊加起作用，缺陷失效發(fā)生的概率是逐漸減小，疲勞失效的概率逐漸增大，而隨機失效概率基本不變，因此總的失效可分為三個階段，分別是缺陷失效占決定地位的早期，隨機失效占決定地位的中期，以及疲勞失效占決定地位的晚期?？偟氖Ц怕是€兩頭高中間低，像一個浴盆，因此電力電子器件的失效曲線也被稱為浴盆曲線。電力電子器件可靠性研究的目標與主要研究內(nèi)容就是圍繞著以上三種失效，分別采用不同方法與手段，降低失效發(fā)生的概率，從而提高電力電子器件工作的可靠性。

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[作者單位]

武漢東湖學(xué)院機電工程學(xué)院

（編輯：趙文靜）