重要なシステムにおけるサイリスタの紹介

サイリスタは、電力電子機器の高圧および電流を管理する重要な半導体スイッチです。 彼らの信頼性は、航空宇宙電力コンバータおよび医療用ディバイレータから、高電圧直流(HVDC)伝送ラインまで、重要なシステムの安全性と機能性に直接影響を与えます。 衛星電力バスまたはグリッドタイドインバータの単一サイリスタ障害は、大惨事なシステム損失に発生することができます。 エンジニアは、したがって、これらのデバイスの故障の物理的な機能を理解し、安全な設計に失敗しなければなりません。 この技術は、信頼性と信頼性の要因が保証されます。

サイリスタ操作の基礎

シリコン制御整流器(SCR)と呼ばれる特性は、4層、3つの接合部p-n-p-n装置です。それらは、バイステーブルスイッチングを展示します。前向きゲート電流による導電にトリガーされたら、それらは電流を把握する下にある陽極電流が低下するまで、オンと残ります。この特徴は、相関回路、過電圧クローバー回路、およびパルス電力に最適です。他の断層は、ゲートおよびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびゲートの制御、およびそれらの制御、およびそれらの制御、およびそれらの制御回路を、および制御する、および制御、および制御、および制御回路の制御、および制御、および制御、および制御、および制御、および制御、および制御回路の制御、および制御、および制御、および制御回路の制御回路の制御回路の制御回路の制御、および制御回路の制御、および制御、および制御、および制御、および制御回路の制御回路の制御回路の制御回路、および制御回路、および制御回路、および制御

信頼性の要因

重要なアプリケーションにおけるサイリスタの信頼性は、関連する要因のチェーンに依存します。各々は、設計、選択、および運用中に管理する必要があります。

素材の品質・製造工程

より強固な信頼性は、ウェーハの品質から始まります。 変位、スタック障害、または金属不純物などの欠陥は、ローカライズされたホットスポットや早期の故障サイトを作成できます。 現代のサイリスタは、ニュートロン透過率ドーピング(NTD)を使用して、高電圧機器の均一抵抗を達成します。 ダイアタッチとボンドワイヤの完全性も問題です:はんだ接合部の熱抵抗、加速障害を増加させます。 [FLT] および [FLT] の乳児のスクリーニングに、および [FBB] 乳児のスクリーニングを生産します。

熱経営

ジャンクション温度(Tj])は、より長い期間に影響する単一の最も影響力のあるパラメータです。 10〜15 °Cは、定格T]jの上に上昇します。 重要なシステムでは、設計者は、安定した状態の伝導損失、損失、および過負荷の過負荷を考慮する必要があります。 熱の沈下、強制的な空気、または液体の膨張を強制的に調整する必要があります。 または、冷却する:FLTFAT:4: および温度の拡張機能:[FLTFLTF]

電気構造

過電圧トランジェント(誘導キックバックまたは落雷からの電圧スパイク)は、チスタの反復ピーク逆電圧(V[]]]RRM)を超えることができ、アバランチェの故障を引き起こす。同様に、ターンオン時のハイディ/ドットは、局所的にクラウド化された電流とホットスポットを作成することができ、安全な動作領域(SOA)を削減します。反復dv/tは、それが検出速度と保護速度をトリガーしなければならない。

適用 義務周期および負荷プロフィール

航空宇宙や医療システムでは、チリストアは、低デューティサイクル、高ピーク電流モードで動作することが多い。パルスパワーアプリケーションは、デバイスのピーク電流能力(ITSM)とI[]]2の注意深いマッチングを要求する。繰り返しサージ電流は、結束線溶融や局部金属溶融を引き起こす可能性があります。

サイリスタの一般的な障害モード

サイリスタの故障は、電気、熱、機械的として広く分類することができます。 以下は、重要なシステムで発生した最も有価な故障モードです。

熱暴走

温度で内部漏れ電流(主に逆遮断接合から)が指数関数的に増加すると、熱の暴露が起こります。 デバイスが熱するにつれて、漏れが増加し、接合温度がシリコンの侵入限界(約200〜250 °C)を超えるまで、より多くの熱を発生させます。 その時点で、デバイスは制御不能になり、短絡または溶融する可能性があります。 緩和には、低漏れ設計、強固な熱沈下、および高信頼性システムでアクティブ温度を監視する必要があります。

ゲートトリガー障害

ゲート・カトデ・ジャンクションは、静電放電(ESD)、繰り返しゲート過電流、または腐食性汚染による劣化を招くことができます。症状は、ゲートトリガー電流の増加(I)、GT)、またはトリガーする完全不能性を含みます。重要なシステムでは、ゲート・ドライバー・サーキットは電流と電圧を制限し、チスタは、アプリケーションの温度範囲上の保証された最小ゲートの感度で選択する必要があります。

アバランチェの故障

電圧が故障電圧(V[]]]BR[]])を超えた場合、逆偏ったジャンクションは制御されていない雪崩乗算に入ります。現代のサイリスタは限られた雪崩エネルギーを生き延ばすことができますが、繰り返されたイベントは、早期の故障につながる、 対流のエッジ終了に累積的な損傷を引き起こします。 HVDC アプリケーションでは、シリーズは、チリスタのスタックは、一定の電圧と同等の抵抗を発揮しなければなりません。

電化・メタライゼーション効果

電流密度が高い(通常10]5]]]のA/cm]の2のアルミニウム金属メタライゼーションで、電子風力は金属原子を変位し、空隙と丘陵地を生成します。これは徐々に抵抗を増加させ、最終的に開路を引き起こすことができます。電気泳動は温度によって加速される摩耗アウト機構です。厚い銅の金属化と適切な軽減このリスクを軽減します。

dv/dt と di/dt の失敗

デバイス全体に過剰なdv / dtは、誤ったターンオン(ゼロゲート信号でも)をトリガーするのに十分なジャンクションキャパシタンスを充電することができます。 典型的な修正は、ミラークランプまたはスヌーバーネットワークの追加です。 逆に、ターンオン時の非常に高いディディ/dtは、ゲート領域からゆっくりと広がり、ローカライズされた過熱を生成します。 特に、ディジットがデバイスが、Gitto-ctを制限する可能性がある場合、Git-toは、特にローカルに高速で調整されます。

宇宙放射線効果

大気および高度の格子適用では、宇宙線からの大気中性子は単一出口のバーンアウト(SEB)か単一出口のゲートの破裂(SEGR)を引き起こすことができます。これらは突然、静的な評価の下で電圧で起こる破壊的な失敗です。製造業者は今提供します]の宇宙線の抵抗の評価を、高電圧の制振器のためのを]、またはdestructiveの電圧によって基づくべきで、またはdestructiveの探知器を基づかせて下さい。

緩和戦略

信頼性の高いサイリスタベースのシステムを構築するには、慎重なデバイス選択、回路保護、熱設計、健康監視の組み合わせが必要です。

熱設計および脱水

常に、定格の接合温度下にあるサイリスタを操作します。典型的な決定ガイドラインは、T[]jを保つことを示唆しています。 長命適用のための絶対最大下25〜50 °C。 ヒートシンク設計は、最悪のケース周囲条件を考慮し、一時的な熱インピーダンスはメーカーの曲線を使用して検証する必要があります。 ]Fase-change熱インタフェース材料は、接触抵抗を減らし、熱寿命を改善します。

過電圧および過電流保護

過電流式バリスタ(MOV)、過渡電圧抑制(TVS)ダイオード、スヌーバーネットワーククランプ電圧スピーク。過電流、高速作動ヒューズ(I]]2[]])は、サージ機能に一致するtの評価は、短絡イベントから保護されます。アクティブクランプ回路は、デバイス内のエネルギーを吸収することができます。

冗長性と脱着

航空機の電力コンバーターのような重要なシステムでは、冗長なサイリスタは、多くの場合、シリーズまたは分離ダイオードと並列に配置されます。シリーズ文字列は、電圧バランス抵抗とスヌーバーを必要とします。負の温度係数の影響または一致するデバイスを介して並列接続要求電流共有。 []]N+1冗長]]は、単一のサイリスタの故障がシステムを低下させないことを保証します。

条件の監視および予後

先進システムモニターオンステート電圧低下(V[]]T[]]])、ゲート漏れ、ジャンクション温度をリアルタイムで監視します。 特定の電流でV[T[の増加は、ボンドワイヤ劣化またはダイアタッチ疲労を示しています。 これらのパラメータを追跡することにより、メンテナンスは故障前にスケジュールすることができます。 電力電子のIEEE取引は、このような様々な種類の半導体技術が、このような研究に多くの有益方法が公開されています。

重要なシステムのテストと資格

航空宇宙、軍事、医療用途で使用されるサイリスタの信頼性保証は、MIL-PRF-19500またはAEC-Q101などの基準ごとに広範な資格を必要とします。 主な試験は次のとおりです。

  • []高温逆バイアス(HTRB)[ - イオン汚染のスクリーニングに定格電圧で1000時間、最大接合温度。
  • []温度サイクル(TC)[ - 通常-55 °C〜500サイクルで+150 °Cで熱疲労抵抗を検証します。
  • []パワーサイクル(PC) — 動作応力をシミュレートし、ワイヤボンドの信頼性を評価するために、反復電流パルス。
  • ] サージ電流テスト — 評価されるIのアプリケーション] TSM パルスで堅牢性を検証します。

ストレスレベルの高い生活テストを加速することで、アレヒニアスやクフィン・マンソンモデルで条件を補うことができます。 ]] 電力デバイスの信頼性に関するTexas Instrumentsのアプリケーションノートは、そのような評価のための実用的なガイドラインを提供します。

コンテンツ

サイリスタは、高電力の重要なシステムにおいて基礎的なコンポーネントを維持しますが、その信頼性は、熱、電気、および環境のストレスに慎重な注意を必要とします。異常モードを理解することで、熱の暴露、ゲートの劣化、アヴァランチェの故障、電気的、dv/dtまたはdi/dtの誘発障害、および宇宙放射線の影響を把握することで、エンジンは、適切なヒートシンク、保護スナック、再配置、および半導体の監視などの緩和措置を設計することができます。 、耐摩耗性試験機器は、より優れた信頼性が向上します。