晶闸管寿命评估技术研究

张涛　唐堂　苍久龙　施海宁　于海洋

摘 要：为了能够得到有效的晶闸管加速寿命试验方案及其相关失效数据，利用现有的晶闸管寿命评估理论，结合晶闸管的运行状况及其相关失效机理，探索一种更完善的新型晶闸管加速寿命试验方法。通过分析总结晶闸管主要的失效机理，提出与晶闸管老化关系及失效机理最密切的加速寿命试验方案。

关键词：晶闸管;失效机理;寿命评估

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0032-03

Discussion on Life Evaluation Technology of Thyristor

ZHANG Tao TANG Tang CANG Jiulong SHI Haining YU Haiyang

（Suzhou Nuclear Power Research Institute， Suzhou Jiangsu 215004）

Abstract： In order to get effective thyristor accelerated life testing scheme and its related failure data， we use the existing thyristor life assessment theory， combined with operation condition of the thyristor and its related failure mechanism， to explore a more perfect new thyristor accelerated life test method. This paper summarizes the main failure mechanism of the thyristor， an accelerated life test scheme is proposed which is closely related to the aging and failure mechanism of thyristors.

Keyword： thyristor;failuremechanism;life evaluation

在现代工业领域中，晶闸管广泛应用于各种电力电子设备。因此，为提高晶闸管的可靠性，制造商不断改进模块结构，开发新型的封装材料，提高现有工艺水平，以满足日益新增的各种应用系统需求。广大使用者则更加关注晶闸管在不同环境条件下的工作寿命。在正常工作应力下，要想得到失效数据，需要一个相对较长的时间。所以，很多学者尝试探寻晶闸管的老化机理，针对晶闸管的老化机理进行加速寿命试验，从而在相对较短的时间内获得更多有价值的失效数据[1]。

晶闸管加速寿命试验已有多年研究历史，主要原理是在晶闸管高于正常工作应力的条件下缩短其失效时间，得到较多的失效样品和失效数据进行分析[2]。本文在已有的加速寿命试验基础上改变试验条件，提高加速应力，提出更优越的晶闸管加速寿命试验方案。

1 晶闸管失效机理分析

从外界线路对晶闸管的影响来看，由于晶闸管长期工作在复杂的电路环境中，流经晶闸管的电压和电流对其产生日积月累的影响，再加上电磁波的干扰，各种负荷越来越严重，加速了晶闸管的老化，导致其在寿命周期内会提前失效。对晶闸管内部组成结构进行分析，电路的换流由硅芯片完成，而电气连接、绝缘性能以及散热优良则取决于封装材料。晶闸管内部结构疲劳的积累，加上外部恶劣运行环境的综合作用，导致其最终失效。综合以上因素，晶闸管的失效可归纳为封装失效和芯片失效两个方面[3]。

1.1 封装失效

晶闸管的简化结构如图1所示。晶管内部多层材料的膨胀系数不一致，致使其在长期的热循环与功率循环冲击作用下引起焊料层疲劳，甚至造成芯片引线断裂直至失效。在器件的制造过程中，因生产工艺等造成焊接层与引线之间存在原始裂纹，是加速封装材料老化的诱因。通过长期的实践和调研发现，与封装相关的失效主要是引线脱落和焊料层疲劳所致。

1.2 芯片失效

芯片是半导体材料的核心部件。芯片失效意味著晶闸管彻底失效。大量的研究表明，与芯片相关的失效有电气应力、静电荷释放和闩锁效应[4]，并认为晶闸管的热机械疲劳是引起失效的主要原因，可概括为晶闸管的实际结温不能超过其规定的工作结温。半导体瞬时结温超过平均结温会改变晶闸管复合速率、内部载流子迁移率和门槛电压等参数，从而影响晶闸管的各项性能指标而引起与芯片相关的失效。如前文所述，晶闸管内部多层材料的膨胀系数不一致，结温频繁波动会引起焊接层脱落或降低强度甚至导致焊料层老化或引线脱落，缩短晶闸管的工作寿命。

2 加速寿命试验方式

加速寿命试验即在高于正常工作应力下使元器件运行环境更恶劣，导致器件加速失效。这样可以在短时间内获得较多的失效数据[5]，结合晶闸管寿命分布的相关信息，对获得的数据进行反推，得出在正常应力运行时晶闸管的寿命时间。

加速寿命试验的类型较多，常用的有恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验。

①恒定应力加速寿命试验。试验方式为将试品分为[k]组，每组[x]个试品分别在不同应力下进行试验，直到出现试品失效为止。

②步进应力加速寿命试验。试验方式为将全部试品作为一组，所有试品先在一个较低的应力下进行试验，若有试品失效则退出试验，若无试品失效则增加应力水平进行下一次试验。这样可能某一个试品会进行若干次加速应力试验。

③序进应力加速寿命试验。试验方式与步进应力加速寿命试验相似，不同之处在于这个应力水平随着时间的增加而增加。

这3种加速寿命试验的特点各不相同。对于恒定应力加速试验，需要较多的试品数量才能做到每组试品都有失效数据。对于步进应力加速试验，较恒定应力加速试验可减少试品数量，但得到的相对结论并没有恒定应力加速试验理想。对于序进应力加速试验，它要有专门控制应力水平变化的设备和跟踪产品失效的记录设备。虽然这3种加速寿命试验均可得到产品失效的数据，但权衡结论的可靠性，选择恒应力加速寿命试验方案。

3 加速寿命试验方案

如前文所述，晶闸管的老化归根结底是温度应力的作用。不同材料封装在一起的多层结构膨胀系数存在差別，在温度循环过程中膨胀所产生的机械形变不同，导致器件材料受到不同程度的压缩或拉伸应力。这种机械应力破坏器件内部的连接部分，最终导致晶闸管的失效。目前，给晶闸管提供温度过应力的加速寿命试验方法有功率循环和温度循环试验两种。前者通过晶闸管自身功率损耗产生温度循环，模拟器件工作条件下的可靠性。后者通过外界环境温度改变产生温度循环，模拟器件所处场所气候条件和存储环境下的稳定性。

3.1 方案确定

本文在温度循环试验的基础上，利用高低温湿热交变老化试验箱设备给试品加入70%恒湿环境，加速失效过程，另外利用稳压电源给试品提供加速试验电压。

选择晶闸管寿命失效的判据是晶闸管在过应力失效后导致漏电流增大，其漏电流的增大呈现出几何分布，在达到一定量电压时晶闸管的漏电流将会急剧上升，从而造成晶闸管耐压降低。这里测得晶闸管的导通压降下降5%时，便认定该试品已经发生老化失效。

3.2 寿命评估模型

本试验采用的寿命评估模型为：

此处设计3种控制变量的加速老化试验，通过曲线拟合求取模型常数m、n，再基于威布尔分布和平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到晶闸管在相应试验温度下老化参数降级到预订指标所需的平均运行时间，然后结合寿命评估模型、模型常数以及平均运行时间评估晶闸管寿命。

4 加速寿命试验的实施

本试验共准备3组晶闸管试验样品，3组试品要分别进行加速寿命试验。将每组试品分别置于高低温湿热交变老化试验箱中，试验箱设定恒湿70%不变，而温度设定交替变化。同时，需用大功率稳压电源向试验箱中晶闸管供电，通过定时开关功能控制稳压电源开断，使试验晶闸管高温时通电，低温时断电交替运行。

每组试验具体设计如下：①第一组晶闸管先在得电条件下125 ℃运行20 h，然后在断电条件下-40 ℃运行20 h，后续反复得电125 ℃、20 h，断电-40℃、20 h，电压为额定电压120%循环运行;②第二组晶闸管先在得电条件下135 ℃运行20 h，然后在断电条件下-40 ℃运行20 h，后续反复得电135 ℃、20 h，断电-40 ℃、20 h，电压为额定电压120%循环运行;③第三组晶闸管先在得电条件下125 ℃运行20 h，然后在断电条件下-40 ℃运行20 h，后续反复得电125 ℃、20 h，断电-40 ℃、20 h，电压为额定电压130%循环运行。

在3组试验的交替循环运行中，每个循环运行周期内，利用万用表测得每组晶闸管在同一时刻的导通压降。当导通压降下降5%时，晶闸管已经老化失效，记录下此时的运行时间，采用威布尔分布与平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每组晶闸管失效的平均时间。3组晶闸管失效的试验条件与平均运行时间如表1所示。

依据前文所列的寿命评估模型，利用最小二乘法进行曲线拟合，计算出[m]、[n]，根据[m]、[n]得出AF，再结合晶闸管平均运行时间评估其使用寿命。

5 结语

本文分析总结晶闸管内部结构老化机理、外界及工作环境对晶闸管寿命的影响，提出了与晶闸管相关的寿命评估模型，并设计了一套切实可行的晶闸管寿命评估试验方案，对研究晶闸管寿命评估及老化分析具有重要的参考价值。

参考文献：

[1]梁宁，张志刚，刘翠翠，等.电磁脉冲环境下HVDC换流阀晶闸管的失效机理及寿命模型分析[J].电力电容器与无功补偿，2019（2）：142-146.

[2]王鹏冲.功率IGBT模块工况分析及其寿命预测方法研究[D].天津：河北工业大学，2016：32-35.

[3]王彦刚，CHAMUND D，李世平，等.功率IGBT模块的寿命预测[J].机车电传动，2013（2）：13-17.

[4]杜玉格，李凯，冉贤贤，等.高压大容量耗能装置晶闸管阀设计与试验[J].电力电子技术，2021（10）：137-140.

[5]赵成勇，叶蕴霞，展瑞琦，等.电压跌落影响换流阀晶闸管可靠关断的机理研究[J/OL].中国电机工程学报，2021：1-13[2022-07-30].http：//doiorg/10.13334/j.0258-8013.pcsee.210910.

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