Космическое излучение и надежность силовой электроники

Космические лучи на поверхности Земли

Космическая радиация образуется частицами высокой энергии, проникающими в воздушное пространство из открытого космоса. Первичное излучение, создаваемое Солнцем и сверхновыми звездами, состоит в основном из электронов и ионизированных атомов. Внешние слои атмосферы подвергаются воздействию примерно 1000 частиц/м² в секунду, однако только очень малая их доля достигает поверхности Земли. Основное количество сталкивается с молекулами атмосферных газов (O₂, N₂), получающиеся вследствие этого вторичные частицы снова соударяются с газовыми молекулами, что приводит к их дезинтеграции и образованию огромного количества микрочастиц (пионов, мюонов и нейтронов), формирующих т. н. космические ливни.

Как правило, вторичные частицы имеют достаточную энергию, чтобы создать еще больше частиц в последующих столкновениях (рис. 1). Таким образом происходит их лавинное умножение, но одновременно интенсивность излучения уменьшается за счет поглощения в атмосфере. Количество таких частиц (они называются «вторичными», даже если создаются в ходе многоступенчатого лавинного процесса) на земной поверхности зависит от рельефа определенной местности. Подробное описание данного процесса можно найти в [4].

Рис. 1. Лавинный механизм образования частиц при воздействии космического излучения [5]

Космическое излучение и силовая электроника

Вторичные космические частицы, достигающие поверхности Земли, взаимодействуют с плотной материей. Для силовых электронных приборов это означает, что существует определенная вероятность их попадания в блокирующую область полупроводника, как показано на рис. 2. В этом случае в приборе происходит накопление энергии в диапазоне от десятков до сотен МэВ (100 МэВ ≈ 16 пДж) за счет создания «электронно-дырочных» пар (то есть носителей заряда) на расстоянии в несколько микрон. Углубленный анализ спектра и состава вторичного космического излучения показывает, что нейтроны являются наиболее опасным его компонентом. Они не только присутствуют в достаточном количестве, но и способны сосредоточить всю свою энергию в небольшой зоне [6].

В полупроводниковом приборе, находящемся в состоянии проводимости, наличие некоторого количества дополнительных носителей не создает никаких проблем. Однако в заблокированном состоянии плазма носителей заряда экранирует упомянутую зону от электрического поля. В местах выраженных пиков напряженности поля на краях плазменной области будет наблюдаться падение напряжения. Уровень этих пиков может превысить критическое значение напряженности поля в полупроводнике, что увеличит количество носителей заряда посредством ударной ионизации и расширит плазменную зону. В ходе этого «самоподдерживающегося» процесса появляется т. н. стример, который локально закорачивает полупроводниковый прибор (рис. 2). Все это происходит менее чем за одну наносекунду. Далее носители заряда могут рассеяться в радиальном направлении достаточно быстро, в результате чего закороченная область вернется в блокирующее состояние.

Рис. 2. Механизм отказа при воздействии космических лучей

Однако если процесс диффузии идет слишком медленно, то в приборе концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы полупровод­ник частично расплавился и потерял свою блокирующую способность. Это приводит к повреждению структуры кристалла и, при отсутствии быстрой защиты от короткого замыкания, к полному отказу устройства. При измерениях интенсивности отказов, вызванных космическим излучением, полупроводниковый прибор, как правило, защищается с помощью быстрого предохранителя. Далее расплавленный канал в полупроводниковом материале может быть обнаружен с помощью т. н. «послеаварийного» (Post Mortem) анализа.

Из приведенного описания видно, что вероятность отказа прямо пропорциональна площади (точнее — объему, но он, в свою очередь, пропорционален площади в вертикальной плоскости полупроводника), в которой распространяется электрическое поле: при ее увеличении в два раза удваивается и интенсивность отказов. Кроме того, понятно, что отказы, вызванные космическим излучением, возникают только в той области чипов, где присутствует мощное электрическое поле. Это может быть не только активная зона, но также краевые области [7].

Величина FIT для упрощения обычно определяется относительно общей площади кристалла. Это вводит определенную (как правило, приемлемую) неточность, так как интенсивность отказов в различных зонах чипа отличается. В частности, специалисты SEMIKRON не наблюдали выходов из строя краевых областей диодов типа CAL (Controlled Axial Lifetime), используемых в качестве антипараллельных IGBT, во всех экспериментах. Тем не менее мы будем придерживаться традиционной концепции определения параметра FIT по общей площади кристалла.

Эмпирическая модель

Таким образом, воздействие нейтронов может вызвать локальный пробой полупроводника, выражающийся в наносекундном защелкивании. Интенсивность отказов зависит от высоты над уровнем моря, рабочего напряжения, температуры чипов. Модификация структуры кристалла способна повысить стойкость к космическому излучению. Для осуществления подобной оптимизации создаются соответствующие модели, например, АВВ так описывает свойства HIPak IGBT с напряжением V_CES = 1700…6500 В:

λ (V_DC, T_vj, h) = K₁×K₂×K₃,

где λ — интенсивность отказов (FIT); С₁, С₂, С₃ — специфические параметры модели; h — высота над уровнем моря; К₁ — зависимость FIT от напряжения; К₂ — зависимость FIT от температуры; К₃ — зависимость FIT от h.

На практике величина FIT удваивается при подъеме над уровнем моря на каждые 1000 м. Параметр V_DC в коэффициенте К₁ представляет собой реальную величину напряжения между коллектором и эмиттером IGBT, то есть интенсивность отказов должна определяться отдельно для каждого участка рабочего профиля (включая закрытое состояние) с учетом его продолжительности и добавляться к общему значению.

Измерение интенсивности отказов одиночных кристаллов

Измерение FIT при нормальной радиационной обстановке

Интенсивность отказов полупроводникового прибора, выполненного по определенной технологии, может быть измерена путем подачи обратного смещения на некоторое количество одинаковых компонентов и ожидания момента выхода из строя. Состояние прибора, как правило, контролируется по току утечки. Вариация таких параметров, как обратное напряжение и температура, требует проведения отдельных тестов для каждой комбинации характеристик. Этот подход оправдан при достаточно высокой частоте отказов, что наблюдается, как правило, при работе вблизи напряжения лавинного пробоя V_BR.

К сожалению, не представляется возможным найти «коэффициент ускорения», позволяющий экстраполировать величину FIT для реальных условий работы на основе измерений, сделанных вблизи V_BR. Для получения корректных результатов интенсивность отказов следует контролировать при различных, в том числе низких, уровнях сигнала. Ускоренные испытания проводятся для того, чтобы процесс не растянулся на несколько лет и не потребовал чрезмерно большого количества элементов. Например, для измерения интенсивности отказов на уровне 10 FIT/см² без ускоренных тестов потребуется проверка 100 000 чипов площадью 1 см² в течение одного года, чтобы получить статистически достоверный результат (~8–9 отказов).

Ускоренные измерения интенсивности отказов

На больших высотах интенсивность космического излучения возрастает, т. е. тестирование в таких условиях является ускоряющим фактором. Преимуществом данного подхода является постоянное наличие реалистичного спектра космических нейтронов, поэтому некоторые производители проводят измерения, например, в Германии на горе Цугшпитце (Zugspitze, 2962 м над уровнем моря) или на горе Юнгфрау (Jungfraujoch, 3466 м) в Швейцарии. К недостаткам «высокогорного» метода можно отнести большую трудоемкость и низкий коэффициент ускорения, не превышающий 10 (рис. 5).

Был разработан метод ускоренных испытаний с применением протонных или нейтронных пучков высокой энергии, обеспечивающий коэффициент ускорения до 1010. Он позволяет проводить один тест в течение получаса и задавать определенный уровень напряжения смещения и температуры кристалла в пределах одного цикла измерений. Результаты для IGBT 12E4 и диодов CAL 4F (FWD) представлены на рис. 3. Эти кристаллы используются в новейших силовых модулях SEMIKRON 4-го поколения.

Отметим, что измерения параметра FIT для диодов (FWD) были проведены при напряжении, равном и превышающем номинальное значение V_BR, чтобы получить более наглядную статистику. Напротив, интенсивность отказов IGBT при обратном напряжении, близком к 1200 В, оказывается на шесть-семь порядков выше, поэтому величина V_CE является основным фактором, определяющим показатель FIT модулей IGBT семейства 12Е4. Это, однако, справедливо не для всех комбинаций IGBT и FWD, следовательно, измерения необходимо проводить для всех используемых типов кристаллов.

Расчет интенсивности отказов модулей и устройств

Параметр FIT для модулей

Интенсивность отказов чипов обычно определяется на 1 см² площади кристалла для определенных величин обратного напряжения и температуры. Рассмотрим гипотетический полумостовой силовой модуль 1200 В/300 А с общей площадью чипов IGBT 10 см² и диодов (FWD) — 6 см². Используя показанную на рис. 3 зависимость FIT, можно попытаться вычислить интенсивность отказов модуля IGBT при рабочем напряжении V_DC = 900 В на основе данных по одиночным IGBT (6 FIT/см²) и FWD (<0,02 FIT/см²) путем простого умножения площади: (10 × 6+4 × 0,02)FIT = 60 FIT.

Рис. 3. Интенсивность отказов IGBT/FWD 12-го класса

Кажется, что вкладом FWD в общее значение FIT здесь можно пренебречь, поскольку интенсивность отказов IGBT намного больше. Однако на самом деле такой подход ошибочен. При работе полумостового каскада одно его плечо блокирует 900 В в течение половины рабочего цикла, в то время как другое плечо проводит ток. Поскольку в каждый момент времени только один ключ (т. е. половина общей площади чипов) находится в заблокированном состоянии, то и общая интенсивность отказов будет вдвое меньше, т. е. 30 FIT. Когда оба IGBT (вся площадь кристаллов) закрыты, падение напряжения делится примерно поровну между двумя плечами полумоста, т. е. каждое блокирует только 450 В; при этом уровне напряжения интенсивность отказов пренебрежимо мала.

Отметим, что, кроме описанной выше полумостовой конфигурации, существует масса других топологий, например чопперы, многоуровневые инверторы и т. д. Поэтому было принято решение не указывать в документации SEMIKRON значение FIT на «уровне модулей». Вместо этого по запросу можно получить т. н. «информационный лист» (рис. 4), где интенсивность отказов определена для каждого «логического электронного блока» (как правило, это ключ, состоящий из IGBT и FWD) внутри модуля.

Рис. 4. «Информационный лист» по интенсивности отказов модуля SEMiX603GB12E4p

Расчет интенсивности отказов преобразователей

Величина FIT, в основном, определяется тремя параметрами: напряжением, температурой и высотой над уровнем моря.

Напряжение

Как правило, интенсивность отказов приводится для определенной величины рабочего напряжения. Если значения FIT λ₁ и λ₂ указаны для напряжений V₁ и V₂ соответственно, то рекомендуется использовать интерполяцию, соответствующую прямой линии на логарифмической шкале:

Метод экстраполяции является устаревшим, поскольку принципиально неизвестно, как меняется кривизна графика интенсивности отказов. Как следствие, суммарная ошибка может быстро вырасти более чем на три порядка из-за квази-экспоненциальной зависимости параметра FIT от напряжения.

Коммутационное перенапряжение

В процессе работы инвертора при каждом отключении силовых транзисторов на терминалах питания модулей и кремниевых кристаллах образуются всплески сигнала, уровень которых превышает напряжение DC-шины V_DC. Причиной этого является наличие паразитных индуктивностей в цепи постоянного тока. Однако напряженность локального электрического поля в момент выключения (как соответствующий параметр для оценки интенсивности отказов) отличается от напряженности электрического поля при подаче на кристалл такого же статического сигнала. В первом приближении можно попытаться оценить показатель FIT при отключении устройства путем интегрирования интенсивности отказов за время коммутационного цикла, при этом полагая, что напряжение действует, как статическое.

На примере транзистора 65 класса было показано, что такой подход дает несколько заниженную оценку, поскольку вероятность отказа зависит от электрического поля внутри прибора, которое динамически нарастает во время выключения [9]. Однако данный эффект наиболее выражен у высоковольтных устройств, и даже там его вклад не является доминирующим. Поэтому мы рекомендуем использовать вышеупомянутую методику для транзисторов с блокирующим напряжением до 1700 В.

Температура

С ростом температуры диэлектрическая прочность кремния увеличивается. Учитывая механизм воздействия космического излучения на полупроводниковые приборы, следует ожидать снижения интенсивности отказов при повышении температуры, поскольку лавинный процесс, приводящий к образованию стримера, смещается в область более сильных электрических полей. Однако существуют и другие эффекты, которые могут противодействовать этому стабилизирующему напряжение фактору.

Например, склонность к защелкиванию у полупроводников, как правило, повышается с нагревом, поэтому стример, не являющийся опасным при низкой температуре, может стать таковым при ее увеличении. Специальные исследования показывают, что невозможно создать универсальное описание поведения силовых ключей, и температурная зависимость может отличаться для разных технологий полупроводников. К сожалению, существующих данных о реальных тепловых механизмах надежности по-прежнему недостаточно, поэтому мы рекомендуем использовать эмпирический температурный коэффициент, предложенный АВВ:

который определяет зависимость интенсивности отказов для каждого прибора путем простого умножения параметра FIT при комнатной температуре на коэффициент F(T).

Высота над уровнем моря

Как отмечалось ранее, интенсивность космического излучения возрастает с увеличением высоты, поскольку при этом уменьшается плотность атмосферы, защищающей от радиации. Начиная с определенной высоты, интенсивность снова уменьшается, поскольку лавинные эффекты не успевают вырасти до предельных уровней. У «не авиационных» приложений только первый эффект (ухудшение экранирования) является актуальным, для них интенсивность излучения увеличивается примерно в два раза на каждые 1000 м высоты. Таким образом, зная величину FIT на уровне моря, ее можно масштабировать на высоте h с помощью коэффициента А:

A = 2^h/1000м.

По сравнению с результатами измерений [10], такое приближение имеет погрешность менее 10% на высотах до 3000 м. На высотах до 5000 м оно дает консервативную оценку интенсивности отказов, согласно которой FIT увеличивается примерно в два раза (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость интенсивности отказов от высоты

Другие факторы

Помимо указанных выше, существуют и другие факторы, от которых интенсивность отказов, вызванных космическим излучением, зависит в меньшей степени. В частности, это 11-летний солнечный цикл: Солнце не является основным источником вредных космических лучей, но солнечный ветер изменяется в пределах цикла. Это влияет на магнитное поле Земли, которое, в свою очередь, определяет, насколько хорошо отклоняется первичное космическое излучение. Его интенсивность варьируется ациклично примерно на 20% от минимума до максимума в течение солнечного цикла, то есть максимальная солнечная активность соответствует минимальному потоку излучения.

По аналогичным причинам активность солнца зависит от магнитной широты и долготы местоположения. Например, нейтронный поток в Токио (25° северной геомагнитной широты) примерно на 40% ниже, чем поток нейтронов в Нью-Йорке (52° с.ш.); это уже близко к максимально возможной разнице, составляющей 50%.

Эффект экранирования также играет важную роль, в частности, если оборудование расположено в подвале высотного здания, в шахте и т. д. Более подробную информацию можно найти в [4].

И, наконец, вопрос о зависимости интенсивности отказов от суточного солнечного цикла. Как упоминалось выше, Солнце не является источником первичного космического излучения, генерирующим высокоэнергетические нейтроны, поэтому такая зависимость не выявлена. Проблемы, обсуждаемые в данном разделе статьи, часто считаются несущественными, поскольку расчеты соответствующей интенсивности отказов обычно используются только для оценки порядка величины.

Примеры

Источник бесперебойного питания (UPS)

Рассмотрим типовой трехфазный UPS с инвертором, конвертером и аккумуляторной батареей с напряжением 900 В. Предположим также, что в обоих силовых преобразователях использованы три полумостовых модуля SEMiX603GB12E4p. Интенсивность отказов вследствие космического излучения для этого модуля при V_DC = 900 В и комнатной температуре в соответствии с рис. 4 — 7,3 FIT. Эта величина определена при коэффициенте заполнения 50%, что соответствует нормальному режиму работы полумоста. Таким образом, ожидаемое общее значение интенсивности отказов инвертора: 6 (модулей) × 2 (ключей в модуле) × 7,3 FIT = 87,6 FIT.

Инвертор солнечной батареи при высоком значении V_DC

Производители инверторов для солнечных батарей стремятся использовать полупроводниковые ключи на предельном напряжении питания, например V_DC = 1000 В для модулей 12-го класса. С точки зрения электрических режимов это возможно, поскольку высокое напряжение в звене постоянного тока бывает только при малых токах, так что уровень коммутационных перенапряжений остается низким. С увеличением тока DC-напряжение на батарее фотоэлектрических элементов падает, и система большую часть времени работает при V_DC значительно ниже 1000 В. Для расчетов мы используем упрощенный профиль напряжения, приведенный в таблице 1 (рабочие режимы реальных приложений можно посмотреть, например, в [11]).

На основании таблицы можно оценить интенсивность отказов, вызванных космическим излучением, для инвертора фотоэлектрической батареи. Предположим, что в нем использовано 12 модулей SEMiX603GB12E4p, величина FIT определяется по методике, показанной на рис. 4. Суммирование полученных значений с учетом их доли дает примерно 30 FIT (табл. 2).

Сравнение двухуровневой (2L) и трехуровневой (3L NPC) топологии

Трехуровневая (3L) топология инвертора приобретает все большую популярность в тех случаях, когда нужна большая частота коммутации в сочетании с повышенным напряжением DC-шины, что является критическим с точки зрения отказов, вызванных космическим излучением.

Рис. 6. Упрощенная схема UPS

Попробуем сравнить показатель FIT для 2L- и 3L-инверторов, работающих в аналогичных условиях и построенных на одинаковых полупроводниковых ключах. Две наиболее распространенные 3L-топологии с фиксированной нейтралью типа NPC и TNPC показаны на рис. 7 (подробное описание обеих схем и их преимуществ можно найти в [12]). В большинстве случаев для разработки 3L-преобразователей используются полупроводниковые ключи с рабочим напряжением 650, 1200 и 1700 В. В стандартных двухуровневых и специализированных трехуровневых модулях, как правило, также используются кристаллы этих классов напряжения.

Рис. 7. Варианты 3L-топологии:
a) NPC;
б) TNPC

В схеме NPC (рис. 6) все полупроводники имеют одинаковую блокирующую способность, и, поскольку два транзистора всегда находятся под полным DC-напряжением, номинальное напряжение модуля может быть в два раза выше, чем у отдельных IGBT-ключей.

Использование трехуровневого модуля с рабочим напряжением 650 В здесь не обсуждается, поскольку преимущества 3L-схемы пропадают, если блокирующая способность полупроводника не адаптирована соответственно. В общем случае максимальное рабочее напряжение DC-шины для модулей 12-го и 17-го классов составляет 1000 и 1500 В соответственно (отметим, что при этом безопасность режима КЗ не гарантируется). Для применения в фотоэлектрических системах данные значения находятся в стадии обсуждения. Это означает, что в 3L-модуле кристаллы 650 и 1200 В должны блокировать половину V_DC, т. е. максимум 500 и 750 В (не учитывая коммутационные перенапряжения) соответственно.

На этих уровнях напряжения интенсивность отказов полупровод­никовых ключей, используемых SEMIKRON, оказывается пренебрежимо малой — ниже 1 FIT/см². Следовательно, можно считать, что модули 3L NPC не подвержены влиянию космического излучения, в отличие от своих 2L-конкурентов (табл. 3). Например, при V_DC = 1000 В и нормальных условиях эксплуатации (комнатная температура, уровень моря, коэффициент заполнения 50%) интенсивность отказов модуля SKiiP38GB12E4V1 составляет 310 FIT на ключ, а показатель FIT для SKiiP39MLI07E3V1 оказывается ниже предела измерения — примерно 1 FIT на ключ с блокирующим напряжением 500 В.

Сравнение двухуровневой (2L) и трехуровневой (3L TNPC) топологии

При использовании топологии TNPC ситуация оказывается совершенно другой. В вертикальном плече такого инвертора полупроводниковые ключи блокируют полное значение V_DC, т. е. их рабочее напряжение такое же, как у всего модуля. Полупроводники в горизонтальном плече должны коммутировать только половину от этого значения (V_DC/2), следовательно, они могут иметь меньшую блокирующую способность. Эквивалентные 2L- и 3L-модули представлены в таблице 4.

Уровень сигнала, подаваемого на горизонтальное плечо схемы TNPC, такой же, как в конфигурации NPC. Поэтому интенсивность отказов, вызванных космическим излучением, в модулях 3L TNPC определяется исключительно показателем FIT полупроводников в вертикальном плече. Несмотря на то, что классы напряжения у модулей 2L и 3L идентичны, существуют различия, обусловленные двумя причинами:

а) На типовых частотах коммутации схема TNPC, как правило, обеспечивает выходной ток I_rms на уровне примерно 75% от номинального значения I_C, в то время как обычный 2L-ключ дает около 50%. Поэтому для получения одинаковой мощности инвертора в вертикальном плече модуля 3L требуется только 65% площади чипов по сравнению с 2L. Поскольку интенсивность отказов, вызванных космическим излучением, линейно зависит от площади кристалла, показатель FIT у модулей 3L TNPC также будет составлять на 35% меньше, чем в схеме 2L.

б) В обычном полумостовом инверторе каждый ключ блокирует напряжение DC-шины примерно половину рабочего времени инвертора. В отличие от этого в модуле TNPC полупроводники в вертикальном плече находятся под полным DC-напряжением только в течение 25% времени (±5%, в зависимости от коэффициента модуляции). В оставшиеся 50% оба ключа вертикального плеча находятся в блокирующем режиме и делят между собой падение напряжения на DC-шине. В течение этого времени их интенсивность отказов даже ниже, чем в горизонтальном плече (одинаковое рабочее напряжение, но в вертикальном плече выше номинальное напряжение кристаллов). Таким образом, время блокировки в модуле 3L TNPC составляет примерно половину от 2L, соответственно, интенсивность отказов также в два раза меньше.

Как правило, у инвертора, разработанного с применением модулей 3L TNPC, интенсивность отказов, вызванных космическим излучением, примерно в три раза ниже, чем у двухуровневого инвертора аналогичной мощности, созданного с применением таких же кристаллов. Например, если рассмотренный ранее преобразователь солнечной батареи будет реализован по схеме 3L, то его показатель FIT снизится примерно с 19 до 6.

Влияние солнечной радиации на интеллектуальные силовые модули

Особенностью интеллектуальных модулей IGBT (IPM) является высокая степень интеграции. Например, силовые ключи семейства SKiiP (SEMIKRON Integrated Intellectual Power), кроме силовой секции, содержат драйвер, датчики, источник питания и систему охлаждения. Поэтому вопрос нормирования параметра FIT для IPM требует детального анализа. Как было указано ранее, интенсивность отказов, вызванных космическим излучением, зависит от приложенного напряжения. При 75% от номинального значения V_CE (900 В для модулей 12-го класса, 1300 В для 17-го класса) она составляет более 20 FIT на один полумост. Поэтому, даже если полупроводниковый прибор рассчитан на эксплуатацию при таком напряжении, SEMIKRON не рекомендует использовать его в длительном режиме. При работе на 65% от номинальной блокирующей способности частота отказов, вызванных воздействием космических лучей, оказывается незначительной (менее 1 FIT на один полумост).

Силовая секция IPM SKiiP

Нижняя граница интенсивности отказов силовых модулей, вызванных космическим излучением, известна, однако не существует общепринятой методики определения общей величины показателя FIT для IPM IGBT с учетом их структуры (в отличие от микроэлектронных устройств). Поэтому единственным способом получения реальной статистики является наблюдение за работой полупроводниковых ключей в полевых условиях.

По интеллектуальным силовым модулям SKiiP 3-го поколения компанией SEMIKRON накоплена огромная база данных. Она сформирована по результатам анализа работы более чем 4000 ветрогенераторов, выпускаемых ведущими мировыми производителями и генерирующих (по данным 2010 г.) более 60 ГВт электроэнергии. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) работают на всех континентах, каждая из них содержит от шести до 24 модулей IPM SKiiP.

Cрок эксплуатации ВЭУ достигает десяти лет и более при суммарной наработке около 30 млн ч, это обеспечивает высокую достоверность статистических данных. Анализ полученных результатов показал, что средняя интенсивность отказов модулей SKiiP 3 составляет 30 FIT (на один полумостовой элемент). Компоненты нового поколения SKiiP 4 представлены на рынке сравнительно недавно, поэтому по ним не накоплено достаточно информации для четкого определения параметра FIT. Однако с учетом того, что они имеют более современную и надежную конструкцию (в первую очередь, за счет замены пайки на технологию диффузионного спекания серебра), SEMIKRON ожидает снижения частоты отказов примерно на треть, т. е. до 20 FIT на один полумост.

Плата управления IPM SKiiP

Интенсивность отказов микроэлектронных устройств, к которым можно отнести драйверы затворов, может быть определена по методике, приведенной в стандартах SN29500 или mil-hdbk-217. Показатель FIT платы управления SKiiP рассчитывался при температуре окружающей среды +40 °C и номинальном токе нагрузки в соответствии с SN29500. Однако опыт эксплуатации драйверов показывает, что полученные таким образом значения могут превышать истинные более чем в 10 раз. На самом деле обработка статистических данных демонстрирует стабильную величину частоты отказов в районе 80 FIT для драйвера SKiiP3 4GB (четыре полумоста), что в 30 раз ниже расчетного значения. На основе этого показателя можно рассчитать реальную интенсивность отказов устройства управления силовой секцией SKiiP (табл. 5).

Стандарт SN29500 позволяет определить зависимость показателя FIT от температуры окружающей среды, такой график для SKiiP3 4GB показан на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость частоты отказов SKiiP3 4GB от температуры, рассчитанная по стандарту SN29500; условная единица соответствует показателю FIT при T_a = +40 °C

SKiiP — системные показатели

Основываясь на приведенных выше данных, можно определить показатели надежности всей системы SKiiP, включающей силовую секцию, драйвер затворов, датчики напряжения, тока и температуры. Соответствующие величины параметра FIT приведены в таблице 6.

Для определения показателей надежности IPM SKiiP компанией SEMIKRON разработана математическая модель, позволяющая довольно точно определить влияние параметров термоцикла на интенсивность отказов и ресурс. Однако без учета других характеристик она справедлива только в определенных рамках. Это связано как с некоторыми физическими ограничениями, так и с тем, что далеко не все параметры являются независимыми друг от друга. Например, невозможно получить маленький градиент температуры ΔT_j при больших токах перегрузки или длительном времени работы ключа. Соответственно, чтобы обеспечить некоторое фиксированное значение ΔT_j, определенный ток должен протекать в течение конкретного времени.

Ускоренные испытания модулей позволяют получить данные, с помощью которых можно достаточно точно рассчитать показатели надежности, определить механизмы отказа, предсказать, как будет вести себя силовой ключ при различных условиях эксплуатации. Анализ отказов, изучение механизмов их возникновения дает возможность вносить соответствующие изменения в конструкцию модуля, а также моделировать его поведение при различных условиях эксплуатации.

В отличие от выпускаемых в огромных количествах микроэлектронных устройств, статистика отказов по силовым модулям, а особенно по IPM, гораздо беднее. Тем не менее опыт применения интеллектуальных силовых модулей SKiiP в ВЭУ позволяет получить достаточно достоверные данные о надежности этих сложных, функционально насыщенных изделий.