Оценка значения ударного тока, предельного для силового транзистора
Воронков Антон
Пьянзин Денис - pyanzin-dv@yandex.ru
Кульнин Антон
Известно, что надежность любых силовых полупроводниковых приборов зависит от их температуры. Однако разработчиков преобразовательных устройств должна заботить не только некая средняя температура полупроводникового элемента транзистора, при которой он может работать длительное время в режиме номинальной нагрузки, но и степень превышения этой температуры при протекании экстремальных токов, возникающих, например, при коротких замыканиях в цепи нагрузки.
Тепловой режим транзистора в режиме кратковременной токовой перегрузки (при длительностях единицы-десятки микросекунд) существенно отличается от режима при номинальной нагрузке. Среднюю температуру полупроводникового элемента принято вычислять через его тепловое сопротивление и выделяемую мощность. При этом считается, что плотность тока одинакова по всей площади полупроводникового элемента. Но при кратковременных импульсных токах данное условие может нарушаться из-за разных технологических дефектов, то есть плотность тока на разных участках полупроводникового элемента может сильно различаться. Наибольшая плотность формируется в локальных зонах, что приводит к их аномальному перегреву (вплоть до проплавления). Именно такие зоны начинают определять параметры транзисторов, в первую очередь запорные. Существует и ряд других причин и механизмов разрушения или деградационного ухудшения параметров приборов при сверхтоках.
Разработчиков преобразовательных аппаратов интересуют в первую очередь не механизмы и физические процессы в приборах, приводящие к их отказам, а допустимая величина однократных или повторяющихся импульсов тока с амплитудой выше номинала, при которых транзисторы будут устойчиво работать на протяжении длительного времени. Если исходить из интересов потребителей силовых полупроводниковых приборов (СПП), то есть разработчиков и изготовителей преобразовательных аппаратов, их интересуют следующие вопросы:
- В каком диапазоне величин может находиться амплитуда тока короткого замыкания (ITSM) для используемых в преобразователе транзисторов? Информация о законе распределения ITSM позволяет обоснованно выбрать коэффициент запаса по этому параметру и сформулировать требования к системе защиты аппарата.
- Каким образом на стадии входного контроля перед комплектованием транзисторного модуля оперативно и неразрушающим образом оценить возможность каждого транзистора выдерживать импульсные токовые перегрузки и отбраковать явно ненадежные по этому параметру образцы?
- Какие параметры транзисторов следует периодически измерять в процессе эксплуатации аппарата, чтобы по характеру деградационных изменений определить необходимость проведения профилактических работ для снижения вероятности разрушения полупроводникового прибора?
Рассмотрим, каким образом решаются данные задачи.
Обзор и классификация способов оценки ITSM
Когда тем или иным способом, например путем компьютерного моделирования, для проектируемого преобразователя определена возможная величина ударного тока, протекающего через транзистор, перед разработчиком аппарата встает вопрос: выдержит ли применяемый транзистор такую перегрузку или будет поврежден? Однозначно ответить на этот вопрос нельзя, так как характер воздействия на транзистор может быть разным — например, одиночный импульс тока, который мгновенно приведет к повреждению транзистора, или повторяющиеся импульсы перегрузки с амплитудой меньше критической, но действующие в течение некоторого времени, в том числе за время срабатывания устройства защиты. В таком режиме транзистор будет накапливать деградационные изменения, снижающие его рабочие характеристики, что в конечном счете способно привести к его отказу. Поэтому и задачи по оценке потенциальных возможностей транзисторов при воздействии импульсных токовых перегрузок различной кратности и длительности формулируются по-разному.
Задача первого типа сводится к определению истинного значения величины ударного тока (единичный импульс), после воздействия которого транзистор теряет свою работоспособность. Обычно это физическое разрушение транзистора. Реальное значение амплитуды ударного тока можно определить только разрушающим способом. Испытав партию приборов, можно оценить индивидуальные возможности каждого прибора и получить представление, насколько велико различие между ними по предельной величине ITSM. Полученная информация бывает полезной в двух случаях: для выбора коэффициента запаса по допустимому уровню токовой перегрузки для данного типа транзистора при проектировании преобразователей, а также для совершенствования технологического процесса изготовления приборов.
Вторая задача связана с оценкой временного ресурса приборов при воздействии на них на протяжении некоторого времени редко повторяющихся или периодических токовых перегрузок, например технологического характера. Понятно, что получение каких-либо количественных показателей по перегрузочной способности транзисторов для решения второй задачи требует проведения весьма длительных и объемных испытаний, что не всегда оправданно.
Решение любой из обеих задач предполагает получение полезной информации путем разрушения испытуемых приборов. В связи с этим возникает вопрос: нельзя ли решить первую и вторую задачу, не разрушая приборы и при разумной продолжительности и стоимости испытаний, то есть возникает совершенно новая задача по созданию методов определения ресурсных показателей полупроводниковых приборов неразрушающим способом. Причем желательно, чтобы эти методы позволяли осуществлять оперативную отбраковку потенциально ненадежных образцов (ПНО).
Таким образом, все методы ресурсных испытаний при воздействии импульсных токовых перегрузок можно свести к трем видам:
- разрушающие;
- неразрушающие;
- отбраковочные.
Экспериментальная оценка величины ITSM транзисторов разрушающим методом
В рамках представленной работы были проведены разрушающие испытания 50 штук IGBT-транзисторов марки STGW20NC60VD (паспортный номинальный постоянный ток 60 А при температуре +25 °C) без приложения высокого рабочего напряжения.
Суть этого метода состоит в воздействии на транзистор одиночными импульсами тока (при постепенном увеличении их амплитуды) до физического разрушения прибора. Такие испытания позволяют получить достоверную информацию об истинных возможностях каждого прибора, построить закон распределения отказов и оценить его параметры. Если испытания проводить при разных длительностях импульсов (tимп), то можно получить зависимость:
ITSM = f(tимп). (1)
Но использовать полученные результаты при проектировании преобразователей можно лишь с большой осторожностью. Дело в том, что в большинстве случаев реальные токовые перегрузки могут возникнуть в процессе работы аппаратов, когда транзисторы уже нагреты до какой-то температуры и на них воздействует достаточно высокое рабочее напряжение.
Разработанная принципиальная схема модуля формирователя импульсов тока состоит из нескольких параллельно соединенных силовых каскадов, которые обеспечивают формирование однократного импульса тока требуемой амплитуды. В данном случае схема модуля реализована на четырех каскадах и обеспечивает стабильную амплитуду выходного импульса тока независимо от сопротивления испытуемого IGBT-транзистора (рис. 1).
При длительности импульса до 100 мкс такой модуль позволяет формировать стабильные по амплитуде импульсы тока величиной до 350 А. Осциллограмма импульса приведена на рис. 2.
В процессе испытаний транзисторы нагружались единичными импульсами тока длительностью 100 мкс с постепенным увеличением амплитуды 30–350 А. Однако выяснилось, что импульсы с такими параметрами не приводят к каким-либо заметным изменениям работоспособности и электрических параметров исследуемых приборов. Поскольку технической возможности для дальнейшего увеличения амплитуды импульса без увеличения числа каскадов стенд не имеет, было принято решение увеличить длительность импульса при сохранении его амплитуды. Количество тепловой энергии, введенной в прибор в этом случае в соответствии законом Джоуля — Ленца, можно оценить по формуле:
При пересчете этой энергии в амплитуду более коротких импульсов (но с большей амплитудой) должно выполняться следующее равенство:
где I0 — амплитуда импульса тока, формируемого силовым модулем (I0 = 350 А); Dt0 — начальная длительность импульса (100 мкс); I1 — расчетная амплитуда импульса тока через транзистор; Dt1 — расчетная длительность импульса тока через транзистор (Dt1< Dt0).
Из равенства (3) следует:
Например, при увеличении реальной длительности импульса тока через транзистор 100–220 мкс амплитуда расчетного (условного) импульса (в пересчете на длительность 100 мкс) увеличивается до 350–520 А.
При организации разрушающих испытаний у каждого транзистора перед началом испытаний были измерены ток утечки Iут и блокирующее напряжение Uбл. Измерение этих параметров осуществлялось и в процессе испытаний после каждого цикла, вплоть до полного отказа прибора. За условный отказ принималось снижение величины блокирующего напряжения на 30% по сравнению со значением этого параметра перед началом испытаний. За безусловный отказ принималось полное разрушение транзистора. Результаты испытаний с учетом пересчитанных значений амплитуды тока и значения параметра I2Dt приведены на гистограммах рис. 3.
Выводы
- Все транзисторы любого типа, даже в пределах одной партии, имеют существенный разброс величины ITSM, что в определенной мере отражает недостатки технологии их изготовления.
- Законы распределения безусловных и условных отказов позволяют определить зону и границы безотказной работы транзисторов при воздействии на них импульсных токовых перегрузок.
- Универсальным критерием, определяющим импульсную перегрузочную способность транзистора, является не величина (критическая или разрушающая величина) амплитуды ударного тока, а показатель I2t, который определяет критическую для транзистора энергию импульса.
Если путем компьютерного моделирования или иным способом удастся получить данные об амплитуде и длительности ударного тока, протекающего через транзистор конкретного преобразователя, то можно вычислить величину I2t, сопоставить результат с минимальным значением этого показателя на гистограмме и оценить степень опасности повреждения транзистора. Если полученная величина I2t попадает в зону распределения безусловных отказов, то такие транзисторы необходимо заменить или сократить время срабатывания системы защиты.