功率器件的設(shè)計(jì)規(guī)則

眾所周知，大多數(shù)電子設(shè)備的可靠性都受溫度影響。人們通常使用設(shè)計(jì)規(guī)則來比較故障率的數(shù)字，其中一條設(shè)計(jì)規(guī)則顯示組件在65℃以下的環(huán)境下工作時(shí)，溫度每上升10℃，故障率便增加一倍。這個(gè)常用的規(guī)則是基于以下的假定：用作比較的產(chǎn)品是用類似的設(shè)計(jì)和制造原理制作的，而組件是在相近的條件下工作（例如，在指定的外圍環(huán)境下，芯片的溫度也相同）。實(shí)際上，不同的設(shè)計(jì)條件會(huì)對(duì)模塊的整體性能及可靠性造成影響。文章來源：http://xudaoyu.cn/sr/248.html
    根據(jù)另一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則，如果組件是在其額定最高結(jié)溫（Tjmax）的70% -80%下工作，將享有很高的可靠性。對(duì)半導(dǎo)體來說，Tjmax通常保證為+150℃或+175℃。根據(jù)這些數(shù)字，半導(dǎo)體器件的結(jié)溫應(yīng)該分別維持往低于+120℃和+135℃的水平。按照這個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則保持結(jié)溫處于較低水平，將可大大地提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
功率器件制造商通過內(nèi)部測(cè)試為功率器件制定了熱指針或者降額曲線。這些測(cè)試通常是用風(fēng)洞系統(tǒng)協(xié)助進(jìn)行的，以確定在不同對(duì)流條件下功率器件的熱性能。功率器件制造商都是按照自己的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，而這些標(biāo)準(zhǔn)往往受到現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試費(fèi)用以及許多其他因素的影響。這些變量意味著功率器件的降額曲線會(huì)造成誤導(dǎo)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮到這些內(nèi)部測(cè)試的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)帶來的影響。
1）降額曲線。風(fēng)洞有多種不同的形狀和尺寸，加上功率器件可以放置在風(fēng)洞的不同位置，這些都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。如究竟是風(fēng)洞強(qiáng)迫空氣流過功率器件還是空氣可自由流過功率器件的四周，若氣流系統(tǒng)龐大，則足以讓氣流在功率器件的四周流動(dòng)。這與漏斗式風(fēng)洞不同。漏斗式風(fēng)洞強(qiáng)迫空氣直接吹到功率器件上面。由于大多數(shù)的應(yīng)用并不是采用漏斗式風(fēng)洞或強(qiáng)迫式氣流，因此非漏斗式測(cè)試程序?qū)⒖傻玫阶罘�(wěn)健的結(jié)果。
    氣流的測(cè)量也是很重要的。應(yīng)利用熱線風(fēng)速表直接測(cè)量功率器件前的氣流，以保證流量的準(zhǔn)確度。氣流系統(tǒng)利用層流是比較保守穩(wěn)健的方法，會(huì)獲得較佳的測(cè)試結(jié)果。降額曲線是在最壞的方向上進(jìn)行，確保在任何方向上功率器件的操作都不受影響。
    在測(cè)試過程中溫度穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量的結(jié)果越準(zhǔn)確�；�于這個(gè)方法，測(cè)量結(jié)果足以保證溫度的穩(wěn)定性。雖然實(shí)際測(cè)試的時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些，而準(zhǔn)確性是預(yù)備熱降額曲線最重要的一環(huán)。為了確保對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作及可靠性起著關(guān)鍵作用的組件獲得最佳性能，在特殊應(yīng)用的系統(tǒng)中要對(duì)功率器件的測(cè)試進(jìn)行個(gè)別比較。
2）發(fā)熱圖像。確定熱性能的另一個(gè)方法就是利用發(fā)熱圖像，即使用紅外攝影機(jī)來測(cè)量溫度。這對(duì)于確定正確的溫度非常有效，但是設(shè)計(jì)人員必須深入研究有關(guān)功章器件的方向、氣流的類型.穩(wěn)定時(shí)間的長(zhǎng)短等。比較熱數(shù)據(jù)的最佳方法，是將不同的功率器件并排起來作紅外掃描（包括不同方向和測(cè)試板）。
    在比較功率器件的可靠性指標(biāo)時(shí)，首先要明了這些指標(biāo)是在什么假定條件和情況下得到的�？煽啃耘c熱性能及工作溫度的關(guān)系十分密切。工作溫度每上升10℃，故障率就增大一倍。在典型的系統(tǒng)中，MTBF（無故障平均工作時(shí)間）的計(jì)算是非常有意義的，但由于受到機(jī)柜內(nèi)其他組件所產(chǎn)生的熱量的影響，功率器件附近空氣的溫度一般在55℃左右。這就需要在設(shè)計(jì)中選用的功率器件必須能夠在溫度上升時(shí)提供最高效率，需要最少的散熱，在底板（基板）中溫度上升的幅度最少。