电力电子器件失效机理与可靠性

唐勇 汪波

[摘 要] 作为电能变换与控制中核心部件的电力电子器件，其可靠性也成为决定整个变换装置安全运行的最重要因素。针对电力电子器件的缺陷、随机、疲劳三种失效的产生机理与作用关系进行分析，指出了避免电力电子器件失效发生与提高可靠性的有效方法和措施。

[关键词] 电能变换;电力电子器件;失效机理;可靠性

随着国民经济的迅速发展，采用各种电力电子装置对电能的产生、输送和使用进行高效、可靠的变换与控制，已经成为节能减排、低碳环保、开发绿色新能源等应用领域中不可缺少的重要环节。在这些大容量电力电子装置中，电力电子器件是实现高性能电能变换与控制的核心部件。随着电力电子器件的应用日益广泛，其工作电压、电流等级也越来越高，工作结温也不断提升，同时工作环境更加恶劣，使用条件日益苛刻，对可靠性也提出了越来越严格的要求。国外有研究机构对80个公司的200多件产品调查后发现，接近40%的电力电子装置故障都是由器件失效引起，因此电力电子器件的可靠性也成为决定整个装置安全运行的最重要因素。

电力电子器件的可靠性与失效概率是直接相关的，衡量可靠性的标准是发生失效的概率大小。已有研究表明，电力电子器件的寿命周期可分为三个阶段：初期、中期与晚期，与其对应的三种失效分别为早期（缺陷）失效、中期（随机）失效和晚期（疲劳）失效。下面对三种失效的失效原理和提升可靠性方法分别进行分析。

早期失效是电力电子器件本身的各种缺陷或损伤导致，产生原因有两方面：一是制造过程中各种工艺上的缺陷，包括器件结构设计、原材料质量、设备工艺、操作人员熟练程度、质量监控的准确度等。二是在运输、储存、装配以及使用过程中的不当造成的损伤，如端子机械强度、绝缘、散热等。缺陷失效可能在最初工作的几百到上千小时内发生，发生概率与承受的各种应力，如电压、电流、温度、振动、湿度、盐雾等都有关，失效概率随工作时间延长而降低。

为有效降低缺陷失效的发生概率，需要从研制单位和最终用户两方面来开展工作：首先从研制单位来看，目前通常采用的检测方法，一是参考已有的器件寿命测试方法，如IEC（国际电工委员会）标准进行抽检;二是开展温度冲击与电压偏置测试。另一方面，从最终用户来看，通常会对采购到的器件进行万用表通断测试，或者搭建电路进行脉冲测试，在一些要求比较高的场合还会采用动、静态参数测试设备进行参数测量。通过施加一定高压力冲击，使得缺陷失效及早暴露，从而剔除掉存在缺陷的器件，避免后续失效的发生。

中期失效的发生不是电力电子器件本身的原因，而是由某些随机的外部因素，如过流、过压、驱动故障、脉冲错误等引发，超出器件的安全工作范围从而导致的失效，因此一般也称为安全区失效。失效的发生具有一定的偶然性与随机性，一般可认为发生的概率恒定且贯穿于工作的整个周期。

中期失效发生概率与电力电子器件的应用设计水平以及外部工作条件直接相关，为减小失效发生需要设计与操作人员提高应用设计水平、确保正确操作、保证外部工作环境安全等，包括器件应用设计的选型、参数设计、驱动、保护、控制、散热等各个方面。通过失效分析找出引发失效的原因也可对应用条件进行改进，从而避免失效再次发生。

晚期失效发生在器件疲劳之后，电力电子器件内部一般都是采用键合引线与多层焊接的复合结构，层与层之间由于材料不同热膨胀系数也不相同，工作时将承受温度梯度与热应力的循环冲击，长期累积后将导致材料疲劳老化从而引发的失效，发生失效的时间长短与承受的温度梯度（热应力）直接相关。

为减少疲劳失效的发生主要有寿命预测和状态监测两种方法。寿命预测是建立寿命模型对其一定工作条件下的寿命值进行计算，精确的壽命预测需根据具体工作条件开展试验，耗时长，消耗大，可能需要几个月时间甚至更长。状态监测指的是根据材料疲劳后引起的压降、热阻等外部特征量发生的变异情况，对电力电子器件的可靠性下降以及寿命进行评估，通过对这些特征量的实时监控还可实现可靠性的在线评估。

总而言之，在电力电子器件的整个寿命周期三种失效叠加起作用，缺陷失效发生的概率是逐渐减小，疲劳失效的概率逐渐增大，而随机失效概率基本不变，因此总的失效可分为三个阶段，分别是缺陷失效占决定地位的早期，随机失效占决定地位的中期，以及疲劳失效占决定地位的晚期。总的失效概率曲线两头高中间低，像一个浴盆，因此电力电子器件的失效曲线也被称为浴盆曲线。电力电子器件可靠性研究的目标与主要研究内容就是围绕着以上三种失效，分别采用不同方法与手段，降低失效发生的概率，从而提高电力电子器件工作的可靠性。

参考文献：

[1]任磊，韦徵，龚春英，等.电力电子电路功率器件故障特征参数提取技术综述[J].中国电机工程学报，2015，35（12）：3089-3101.

[2]刘宾礼，唐勇，汪波，等.基于电压变化率的IGBT结温预测模型研究[J].物理学报，2014，63（17）：1-10.

[作者单位]

武汉东湖学院机电工程学院

（编辑：赵文静）