Введение
Несмотря на простоту схемотехнического проектирования цепей с применением силовых тиристоров и диодов, потребитель на практике сталкивается с множеством деталей, которые необходимо учитывать для надежной и длительной работы силовых полупроводниковых приборов (СПП). В основном все нюансы применения СПП обусловлены конструктивными особенностями приборов. Незнание или пренебрежение особенностями применения СПП, как на стадиях проектирования схем, так и при монтаже с охладителем приводит к нештатному функционированию приборов и — как следствие — к параметрическому отказу. Анализ отказов в основном направлен на идентификацию причин, связанных с ним.
Основные причины отказов СПП, изготовленных с соблюдением современных принципов конструирования и норм технологии, могут быть условно сгруппированы следующим образом:
- некорректный монтаж в электрооборудовании,
- электрические и тепловые режимы эксплуатации, выходящие за пределы области безопасной работы СПП, определенной производителем, нештатные и аварийные режимы работы оборудования,
- использование СПП с выработанным ресурсом,
- неучет при выборе эксплуатационных режимов конструктивно-технологических особенностей конкретных типов СПП.
Ниже описаны наиболее распространенные виды отказов, по приведенным выше группам, обсуждаются возможности идентификации причин отказов по результатам исследования аварийных диодов и тиристоров.
Некорректный монтаж в электрооборудовании
- Наиболее часто встречаются случаи некорректного монтажа СПП с охладителем. Результатом такого монтажа может явиться механическое повреждение полупроводникового кристалла, или недостаточно эффективный отвод тепла от прибора в процессе его работы. Как правило, некорректный монтаж с охладителем может быть выявлен при визуальном осмотре поврежденного СПП. Ниже приведены характерные примеры:
- Плохо или некорректно подготовленные к монтажу контактные поверхности СПП и охладителя (рис. 1). На рисунке отчетливо виден отпечаток прижимного устройства с неровной поверхностью. Такой монтаж, как правило, не позволяет получить надежного теплового (а иногда и электрического) контакта СПП с охладителем, при повышенном монтажном усилии может привести к повреждению полупроводникового элемента.
- Нанесение на контактные поверхности приборов таблеточного исполнения теплопроводящей пасты, не обладающей электропроводящими свойствами (рис. 2). На фотографии видны остатки изолирующей теплопроводящей пасты в отверстии для центровки корпуса прибора. Наличие даже тонкого и несплошного слоя изолирующей пасты между контактными поверхностями корпуса СПП и охладителя или монтажной электроподводящей шины приводит к тому, что электрический контакт становится точечным, сопротивление контакта многократно возрастает, а падение напряжения на контакте становится сравнимым или даже превышает падение напряжения на СПП в открытом состоянии. Это приводит к дополнительной мощности потерь, и недопустимому перегреву СПП и его тепловому пробою. При этом, вследствие локализации электрического контакта, области перегрева полупроводникового элемента также носят локальный характер.
- Некорректный подбор диаметра контактной поверхности охладителя (рис. 3). На рисунке виден отпечаток зажимного устройства с меньшим диаметром, чем у контактного основания корпуса. Контактные основания таблеточных корпусов изготавливаются из мягкого материала (бескислородная медь), поэтому несмотря на относительно большую толщину, не передают усилия сжатия на соответствующие части полупроводникового элемента. При этом для таких областей может нарушится как тепловой, так и электрический контакт полупроводниковой структуры с основаниями корпуса.
Потеря теплового контакта приводит к локальному перегреву указанных областей полупроводниковой структуры. Однако, даже для прибора работающего в режиме коммутации одиночных импульсов тока, не требующего эффективного теплоотвода, некорректный монтаж такого типа может привести к отказу, вследствие ненадежного электрического контакта. При коммутации импульсов тока большой амплитуды и с большой скоростью нарастания на переднем фронте, в локальных областях СПП, не имеющих электрического контакта между катодной металлизацией полупроводниковой структуры и токопроводящим катодным основанием корпуса (или катодной прокладки), может возникать электрический дуговой разряд (в случае, если зазор между контактными поверхностями составляем несколько микрон). При этом происходит постепенная деградация поверхности полупроводниковой структуры (эрозия), что в конечном итоге приводит к отказу.
- Некорректный подбор размеров центрирующего элемента или его осевое смещение от соответствующего отверстия в СПП, (рис. 4). Указанный дефект монтажа приводит к резкому возрастанию локального давления на полупроводниковый элемент в его центре. Следствием может быть либо механическое повреждение полупроводниковой структуры, либо (для тиристоров) закорачивание катодным основанием управляющего электрода.
- Неравномерное распределение монтажного усилия по контактным поверхностям СПП (рис. 5). Такой дефект монтажа может приводить как к разрушению полупроводникового элемента, вследствие недопустимого возрастания локального давления при прижиме, так и к перегреву и последующему тепловому пробою, вследствие недостаточного теплоотвода от части структуры.
- Избыточное монтажное усилие, приводящее к механическому разрушению полупроводникового элемента. Если избыточное монтажное усилие распределено равномерно по площади контактного основания, визуальный осмотр поврежденного прибора, как правило не дает результатов. Однако, после вскрытия корпуса можно обнаружить (для тиристоров с разветвленным управляющим электродом) характерный глубокий отпечаток рисунка управляющего электрода на катодном основании корпуса. Избыточное монтажное усилие приводит к разрушению полупроводникового элемента — появлению трещин в полупроводниковой пластине, которые выявляются при исследовании посредством травления полупроводниковой структуры в специальных травителях и режимах (рис. 6).
- Недостаточное монтажное усилие или полное его отсутствие. Приводит к нарушению тепловых режимов работы и параметрическому отказу СПП. При работе оборудования перегрев СПП вследствие недостаточного монтажного усилия может быть обнаружено, например, при обследовании с помощью тепловидения (рис. 7).
- Электрические и тепловые режимы, выходящие за пределы области безопасной работы.
Можно условно разделить такие режимы на несколько групп:
Превышение допустимой нормы по среднему току (с учетом режима охлаждения), либо по амплитуде импульсного (ударного) тока
Вышедший из строя полупроводниковый элемент СПП имеет в этом случае характерные «крупные» области проплавления (рис. 8), расположенные в области протекания силового тока. Так как отказ наступает, как правило, вследствие теплового пробоя, либо (в режиме коммутации ударного тока) вследствие шнурования тока большой амплитуды, то области проплавления часто локализуются в наиболее перегретых частях структуры, а также в областях с ухудшенным теплоотводом.
При образовании теплового шнура в режиме коммутации аварийного тока большой амплитуды происходит увеличение температуры в базе тиристора или диода, как следствие — возрастает собственная концентрация носителей, которая в наиболее нагретой области структуры становится сравнимой с концентрацией инжектированных носителей заряда. Сопротивление этой области уменьшается, ток через нее увеличивается, включается механизм положительной обратной связи, что и приводит к стягиванию тока в локальный тепловой шнур и как следствие к разрушению полупроводникового эле-мента. Эрозия катодной области возникает при плавлении одного из слоев полупроводникового элемента (наименьшую температуру плавления имеет соединение алюминия с кремнием), вследствие чего, нарушается один из полупроводниковых переходов, как правило, отвечающий за прямое блокирующее напряжение, или происходит полное разрушение полупроводникового элемента.
Малое значение анодного тока тиристора
Тиристор представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из вспомогательного и основного тиристоров (рис. 9). Ток анодной цепи — Ia разветвляется на два тока: анодный ток вспомогательного тиристора (Ia вспм) — он же ток управляющего электрода основного тиристора (Iуэ осн) и анодный ток основного тиристора (Iосн). При малом значении анодного тока, ток в цепи управляющего электрода основного тиристора не может достичь величины, при которой основной тиристор открывается полностью по всему периметру управляющего электрода. Зона проводимости будет сформирована в локальной точке, где будет выделяться значительная локальная мощность, способная привести к его локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента. Если анодный ток вовсе не способен включить основной тиристор даже в локальной точке, то в случае длительной эксплуатации тиристоров в этом режиме возможен перегрев области управляющего электрода основного тиристора и, как следствие, разрушение полупроводникового элемента.
При проектировании схем следует рассматривать анодные токи как от основных силовых цепей, так и от защитных (снабберных) цепей. Данный эффект необходимо более внимательно изучать в случае работы с высоко-частотными тиристорами, имеющими разветвленный управляющий электрод основной структуры, и как следствие — большие токи отпирания основного тиристора.
Проблемы, связанные с управлением, осложняются тем, что конструктивно область управления имеет односторонний теплоотвод. Отвод тепла от области управления осуществляется со стороны анода; с катодной стороны находится прокладка с центральным отверстием, осуществляющая раскорачивание области управления и катодную область. Таким образом, вероятность отказа повышается по мере нагревания прибора.
Нештатные процессы в цепи управления тиристора
При наличии нештатных сигналов в цепи управления, место разрушения на полупроводниковом элементе, как правило, привязано к управляющему электроду вспомогательного тиристора (рис 10).
В этом случае возможны следующие причины, приведшие к отказу: Слабый сигнал управления или включение тиристора от помехи. Слабый сигнал управления инициирует включение тиристора только в локальной точке вблизи вспомогательного управляющего электрода, а не по всему периметру управляющих электродов, как это происходит в случае со штатным импульсом управления (рис 11). Тиристор начинает проводить анодный ток непосредственно в этой точке, и одновременно происходит спад прямого блокируемого напряжения. Таким образом, в данный момент времени пиковая мощность, выделяемая на тиристоре, имеет максимальное значение и локализована в одной или нескольких точках, что приводит к локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента.
Сигнал в цепи управления, выходящий за пределы области безопасной работы, например ток управления большой амплитуды, а также напряжение и ток обратной полярности в цепи управления могут приводить к отказу прибора с характерной локальной областью разрушения, аналогичной приведенной на рис 10.
Попадание в цепь управления высокого напряжения и, как следствие, возникновение неограниченного тока по цепи управления приводит к локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента. Характерная для такого типа отказа «крупная» область проплавления в области вспомогательного тиристора показана на рис. 12.
Одновременное присутствие сигнала управления и обратного анодного напряжения. В этой ситуации за счет транзисторного эффекта резко увеличивается обратный анодный ток (ток утечки), который значительно превышает предельно допустимые значения для тиристора (рис. 13). В результате вблизи управляющего электрода локализуется значительная мощность, которая способна привести к разрушению прибора, причем, чем больше сигнал управления, тем больше ток утечки, а значит — и выделяемая мощность. Следует также учитывать, что с ростом температуры значение тока утечки увеличивается, и повышается вероятность параметрического отказа СПП. Данный режим работы не рекомендуется к применению, но допустим в особых случаях при всестороннем изучении конкретной схемы и выбора режимов работы тиристора, гарантирующего его длительное и надежное функционирование.
Превышение предельного значения скорости нарастания анодного тока или малое значение скорости нарастания тока управления (эффект di/dt)
В случае штатного импульса управления тиристор включается по всему периметру управляющего электрода вспомогательного тиристора и продольное распространение включенного состояния имеет конечную скорость (рис. 14). Таким образом, при значительных скоростях нарастания анодного тока и ограниченности скорости распространения включенного состояния тиристора, локальная плотность тока вблизи управляющего электрода вспомогательной структуры может превысить своё предельное значение, что вызовет перегрев и разрушение полупроводникового элемента. Аналогичная ситуация возникает при малой скорости нарастания тока управления.
Характер области разрушения, как правило, сходен с приведенным на рис. 10. Подобный механизм может возникнуть при включении основного тиристора, в этом случае область разрушения находится вблизи управляющего электрода основного тиристора (рис. 15). Как правило отказ, аналогичный изображенному на рис. 15, происходит в частотно-импульсных режимах, т. е. при превышении нормы на повторяющееся значение предельно допустимого di/dt, а отказ, аналогичный изображенному на рис.10 — при превышении нормы однократного предельно допустимого di/dt.
Нештатное переключение тиристоров по аноду без сигнала управления
В этом случае наиболее характерны следующие причины, ведущие к отказу. Переключение из-за превышения допустимой скорости нарастания прямого напряжения (эффект dv/dt).
Для этого вида отказа возможно расположение локальной области разрушения в пределах катодных областей основного или вспомогательного тиристоров. Наиболее характерно их расположение вблизи управляющего электрода — вспомогательного тиристора (аналогично, изображенному на рис. 10), или основного тиристора (аналогично, изображенному на рис. 15), т. к. эти области, как правило, наиболее чувствительны к переключению, инициированному емкостным током.
Переключение при приложении прямого напряжения в конце процесса рассасывания заряда при выключении, за время меньшее времени выключения (tq).
Такой нештатный режим переключения схематично изображен на рис. 16. Наиболее вероятным местом разрушения является катодная область основного тиристора. Такой характер повреждения типичен в условиях, когда концентрация электронно-дырочной плазмы в базовых слоях прибора недостаточна для инициирования процесса переключения по достаточно большой площади кристалла. Этот процесс происходит локально, как правило, в одной или нескольких точках, имеющих наибольшее время жизни носителей заряда, либо характеризуемых наименьшей эффективностью распределенной катодной шунтировки.
Отказ при перенапряжениях в прямом или обратном направлениях.
Сильное электрическое поле создает лавинный пробой, также усиливается электрическое поле на поверхности. Отказ в этих случаях, как правило, возникает на периферии полупроводникового элемента тиристора или диода (рис. 17).
СПП с выработанным ресурсом
Наиболее «чувствительными» характеристиками, изменение которых может служить критерием выработки ресурса, являются:
- Ток утечки в закрытом состоянии (для тиристоров), обратный ток (для диодов и тиристоров). Для СПП, выработавших ресурс характерны повышенные токи утечки (обратные токи), даже при измерениях при комнатной температуре. Этот эффект возникает из-за старения защитного компаунда на периферии полупроводникового элемента СПП и деградационных явлений на поверхности полупроводника в области выхода на поверхность высоковольтных р-п переходов (область фаски). Величина тока утечки при комнатной температуре, при этом может составлять несколько миллиампер, а при максимальной температуре еще не превышать установленную производителем максимальную норму. Тем не менее, наличие повышенного тока утечки при комнатной температуре.
- Есть прямое указание на то, что прибор уже потенциально ненадежен и должен быть снят с эксплуатации.
- Падение напряжения во включенном состоянии, прямое падение напряжения. Увеличение этих характеристик СПП происходит в основном за счет деградации контактных поверхностей внутри СПП — металлизированной поверхности катода полупроводникового элемента, поверхности анодного термокомпенсатора, контактных прокладок. При длительной эксплуатации возможно также возрастание падения напряжения за счет уменьшения времени жизни носителей заряда в слоях полупроводниковой структуры под воздействием космического излучения.
- Тепловое сопротивление. Причина его возрастания — также, в основном, деградация контактных поверхностей. Измерение указанных характеристик является неразрушающим методом, позволяющим определить выработку ресурса на части приборов. При этом фиксация выхода этих параметров за пределы норм, заданных производителем является необходимым только лишь достаточным условием определяющим, что прибор выработал свой ресурс, так как новые приборы обычно поставляются с некоторым технологическим «запасом» относительно предельных значений норм, а динамика изменения характеристик в процессе эксплуатации обычно не отслеживается.
Поэтому окончательное решение о выработке ресурса можно, как правило, принять, лишь вскрыв прибор (или контрольную группу однотипных приборов) и визуально исследовав состояние контактных поверхностей.
Необходимость учета конструктивно-технологических особенностей конкретных типов СПП
Фирмы — изготовители, как правило стараются как можно более полно описать область безопасного функционирования для выпускаемых приборов, учитывая их конструктивно-технологические особенности. Однако, учесть все нюансы, возникающие в различных режимах эксплуатации приборов, зачастую все же не удается. При этом могут возникать ситуации, когда определенная последовательность безопасных по отдельности режимов может создать предпосылки для отказа прибора.
Поясним сказанное на конкретном примере, описывающем реально существовавший случай отказа. Высоковольтный тиристор эксплуатировался в преобразователе в режиме, характеризующемся длительной работой при малом анодном токе (на углах зажигания около 180°), затем угол зажигания скачком уменьшался и анодный ток резко возрастал, однако его среднее и амплитудное значение не превышало допустимых пределов. Режим работы на малом токе также не выходил за границы области безопасной работы: несмотря на то, что включался только вспомогательный тиристор, его перегрев не приводил к превышению максимально допустимой температуры. Поясним сказанное на конкретном примере, описывающем реально существовавший случай отказа. Высоковольтный тиристор эксплуатировался в преобразователе в режиме, характеризующемся длительной работой при малом анодном токе (на углах зажигания около 180°), затем угол зажигания скачком уменьшался и анодный ток резко возрастал, однако его среднее и амплитудное значение не превышало допустимых пределов. Режим работы на малом токе также не выходил за границы области безопасной работы: несмотря на то, что включался только вспомогательный тиристор, его перегрев не приводил к превышению максимально допустимой температуры.
Тем не менее последовательность этих двух безопасных режимов приводила к отказам, которые имели систематический и массовый характер. Область разрушения находилась в области катода вспомогательного тиристора и имела характер, близкий к показанному на рис. 12.
Причина отказов заключалась в следующем. При работе в режиме малых токов происходил локальный разогрев области вспомогательного тиристора, тогда как область основного тиристора оставалась холодной. После резкого перехода в режим относительно больших анодных токов, вследствие разницы температуры основной и вспомогательной тиристорных структур, возникала ситуация, когда вспомогательный тиристор не отключался после включения основного, причем уровень тока вспомогательного тиристора превышал безопасный предел (рис. 18). Этот ток перегрузки и приводил в конечном итоге к недопустимому перегреву вспомогательной структуры и, следующему за ним тепловому пробою.
Таким образом отказ тиристоров происходил из-за неучета конкретных особенностей прибора данного типа: уровня минимального анодного тока, необходимого для включения основного тиристора и температурных характеристик ВАХ во включенном состоянии структур основного и вспомогательного тиристоров. При этом пользователь не владел информацией об указанных характеристиках, так как она не входит в стандартных набор характеристик, представляемых в информационных материалах. А изготовитель, владевший информацией об этих особенностях не владел полной информацией об особенностях применения его тиристоров в конкретной аппаратуре пользователя.
Из сказанного ясно, что поиск причин отказов, возникших из-за неучтенных особенностей характеристик применяемых приборов, определяющихся особенностями их конструкции и технологии изготовления, является весьма сложной задачей, решение которой, как правило невозможно без тесного взаимодействия изготовителя и потребителя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, чтобы не допустить отказ прибора, необходимо строго следовать рекомендациям по его применению, описанных в технических условиях, паспортах, информационных материалах на соответствующий прибор.
Идентификация причин ряда отказов СПП является весьма сложной задачей, которая может быть успешно решена только при плотной совместной работе потребителя и завода изготовителя СПП.
