Несмотря на простоту схемотехнического проектирования цепей с применением силовых тиристоров и диодов, потребитель на практике сталкивается с множеством деталей, которые необходимо учитывать для надежной и длительной работы силовых полупроводниковых приборов (СПП). В основном все нюансы применения СПП обусловлены их конструктивными особенностями. Незнание или пренебрежение особенностями применения СПП как на стадиях проектирования схем, так и при монтаже с охладителем приводит к нештатному функционированию приборов и, как следствие, к параметрическому отказу. Анализ отказов, в основном, направлен на идентификацию связанных с ним причин.
Основные причины отказов СПП, изготовленных с соблюдением современных принципов конструирования и норм технологии, могут быть условно сгруппированы следующим образом:
– некорректный монтаж в электрооборудовании;
– электрические и тепловые режимы за пределами безопасной работы СПП, определенной производителем, а также нештатные и аварийные режимы работы оборудования;
– использование СПП с выработанным ресурсом;
– неучет при выборе эксплуатационных режимов конструктивно-технологических особенностей конкретных типов СПП.
Ниже описаны наиболее распространенные виды отказов по приведенным выше группам, обсуждаются возможности идентификации причин отказов по результатам исследования аварийных диодов и тиристоров.
Наиболее часто встречаются случаи некорректного монтажа СПП с охладителем. Результатом такого монтажа может явиться механическое повреждение полупроводникового кристалла или недостаточно эффективный отвод тепла от прибора в процессе его работы. Как правило, некорректный монтаж с охладителем может быть выявлен при визуальном осмотре поврежденного СПП. Ниже приведены характерные примеры.
1. Плохо или некорректно подготовленные к монтажу контактные поверхности СПП и охладителя.
На рисунке 1 отчетливо виден отпечаток прижимного устройства с неровной поверхностью. Такой монтаж, как правило, не обеспечивает надежного теплового (а иногда и электрического) контакта СПП с охладителем, а при повышенном монтажном усилии может привести к повреждению полупроводникового элемента.
 |
|
Рис. 1. Отпечаток прижимного устройства |
2. Нанесение на контактные поверхности приборов таблеточного исполнения теплопроводящей пасты, не обладающей электропроводящими свойствами (см. рис. 2). На фотографии видны остатки изолирующей теплопроводящей пасты в отверстии для центровки корпуса прибора. Наличие даже тонкого и несплошного слоя изолирующей пасты между контактными поверхностями корпуса СПП и охладителя или монтажной электропроводящей шины приводит к тому, что электрический контакт становится точечным, сопротивление контакта многократно возрастает, а падение напряжения на контакте становится сравнимым или даже превышает падение напряжения на СПП в открытом состоянии. Это приводит к дополнительной мощности потерь, недопустимому перегреву СПП и его тепловому пробою. Из-за локализации электрического контакта области перегрева полупроводникового элемента также носят локальный характер.
 |
|
Рис. 2. Нанесение теплопроводящей пасты на контактные поверхности приборов таблеточного исполнения
|
3. Некорректный подбор диаметра контактной поверхности охладителя (см. рис. 3). На рисунке виден отпечаток зажимного устройства с меньшим диаметром, чем у контактного основания корпуса. Контактные основания таблеточных корпусов изготавливаются из мягкого материала (бескислородная медь), поэтому они, несмотря на относительно большую толщину, не передают усилия сжатия на соответствующие части полупроводникового элемента. В таких областях может нарушиться как тепловой, так и электрический контакт полупроводниковой структуры с основаниями корпуса.
 |
|
Рис. 3. Некорректный подбор диаметра контактной поверхности охладителя
|
Потеря теплового контакта приводит к локальному перегреву указанных областей полупроводниковой структуры. Однако даже для прибора, работающего в режиме коммутации одиночных импульсов тока и не требующего эффективного теплоотвода, некорректный монтаж такого типа может привести к отказу из-за ненадежного электрического контакта. При коммутации импульсов тока большой амплитуды и с большой скоростью нарастания на переднем фронте, в локальных областях СПП, не имеющих электрического контакта между катодной металлизацией полупроводниковой структуры и токопроводящим катодным основанием корпуса (или катодной прокладки), может возникать электрический дуговой разряд (в том случае, если зазор между контактными поверхностями составляет несколько микрон). При этом происходит постепенная деградация поверхности полупроводниковой структуры (эрозия), что в конечном итоге приводит к отказу.
4. Некорректный подбор размеров центрирующего элемента или его осевое смещение от соответствующего отверстия в СПП (см. рис. 4). Указанный дефект монтажа приводит к резкому возрастанию локального давления на полупроводниковый элемент в его центре. Следствием может быть либо механическое повреждение полупроводниковой структуры, либо (для тиристоров) закорачивание катодным основанием управляющего электрода.
 |
|
Рис. 4. Некорректный подбор размеров центрирующего элемента
|
5. Неравномерное распределение монтажного усилия по контактным поверхностям СПП (см. рис. 5). Такой дефект монтажа может приводить как к разрушению полупроводникового элемента из-за недопустимого возрастания локального давления во время прижима, так и к перегреву и последующему тепловому пробою вследствие недостаточного теплоотвода от части структуры.
 |
|
Рис. 5. Неравномерное распределение монтажного усилия
|
6. Избыточное монтажное усилие, приводящее к механическому разрушению полупроводникового элемента. Если избыточное монтажное усилие распределено равномерно по площади контактного основания, визуальный осмотр поврежденного прибора, как правило, не дает результатов. Однако после вскрытия корпуса можно обнаружить (для тиристоров с разветвленным управляющим электродом) характерный глубокий отпечаток рисунка управляющего электрода на катодном основании корпуса. Избыточное монтажное усилие приводит к разрушению полупроводникового элемента — появлению трещин в полупроводниковой пластине, которые выявляются при исследовании посредством травления полупроводниковой структуры в специальных травителях и режимах (см. рис. 6).
 |
|
Рис. 6. Избыточное монтажное усилие
|
7. Недостаточное монтажное усилие или полное его отсутствие приводит к нарушению тепловых режимов работы и параметрическому отказу СПП. При работе оборудования перегрев СПП вследствие недостаточного монтажного усилия может быть обнаружен, например, при обследовании с помощью тепловидения.
Такие режимы можно условно разделить на несколько групп.
1. Превышение допустимой нормы по среднему току (с учетом режима охлаждения) либо по амплитуде импульсного (ударного) тока
Вышедший из строя полупроводниковый элемент СПП имеет в этом случае характерные участки проплавления (см. рис. 7), расположенные в области протекания силового тока. Поскольку отказ наступает, как правило, вследствие теплового пробоя либо (в режиме коммутации ударного тока) из-за шнурования тока большой амплитуды, то области проплавления часто локализуются в наиболее перегретых частях структуры, а также в областях с ухудшенным теплоотводом.
 |
|
Рис. 7. Характерные участки проплавления
|
При образовании теплового шнура в режиме коммутации аварийного тока большой амплитуды происходит увеличение температуры в базе тиристора или диода. Как следствие, возрастает собственная концентрация носителей, которая в наиболее нагретой области структуры становится сравнимой с концентрацией инжектированных носителей заряда. Сопротивление этой области уменьшается, ток через нее увеличивается, включается механизм положительной обратной связи, что приводит к стягиванию тока в локальный тепловой шнур и к разрушению полупроводникового элемента. Эрозия катодной области возникает при плавлении одного из слоев полупроводникового элемента (наименьшую температуру плавления имеет соединение алюминия с кремнием), из-за чего нарушается один из полупроводниковых переходов, как правило, отвечающий за прямое блокирующее напряжение, или происходит полное разрушение полупроводникового элемента.
2. Малое значение анодного тока тиристора
Тиристор представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из вспомогательного и основного тиристоров (см. рис. 8). Ток анодной цепи Ia разветвляется на два тока: анодный ток вспомогательного тиристора (Ia вспм) — он же ток управляющего электрода основного тиристора (Iуэ осн) — и анодный ток основного тиристора (Iосн). При малом значении анодного тока ток в цепи управляющего электрода основного тиристора не может достичь величины, при которой основной тиристор открывается полностью по всему периметру управляющего электрода. Зона проводимости формируется в локальной точке, где выделяется значительная локальная мощность, способная привести к его локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента. Если анодный ток вовсе не способен включить основной тиристор даже в локальной точке, то в случае длительной эксплуатации тиристоров в этом режиме возможен перегрев области управляющего электрода основного тиристора и, как следствие, разрушение полупроводникового элемента.
 |
|
Рис. 8. Структура тиристора
|
При проектировании схем следует рассматривать анодные токи как от основных силовых цепей, так и от защитных (снабберных) цепей. Данный эффект необходимо более внимательно изучать в случае работы с высокочастотными тиристорами, имеющими разветвленный управляющий электрод основной структуры, и, как следствие, большие токи отпирания основного тиристора.
Задачи управления осложняются тем, что конструктивно область управления имеет односторонний теплоотвод. Отвод тепла от этой области осуществляется со стороны анода; с катодной стороны находится прокладка с центральным отверстием, осуществляющая раскорачивание области управления и катодную область. Таким образом, вероятность отказа повышается по мере нагревания прибора.
При нештатных сигналах в цепи управления место разрушения на полупроводниковом элементе, как правило, привязано к управляющему электроду вспомогательного тиристора (см. рис. 9).
В этом случае возможны следующие причины отказа.
 |
|
Рис. 9. Место разрушения привязано к управляющему электроду
|
Слабый сигнал управления или включение тиристора от помехи. Слабый сигнал управления инициирует включение тиристора только в локальной точке вблизи вспомогательного управляющего электрода, а не по всему периметру управляющих электродов, как в случае со штатным импульсом управления (см. рис. 10). Тиристор начинает проводить анодный ток непосредственно в этой точке. Одновременно происходит спад прямого блокируемого напряжения. Таким образом, в данный момент времени выделяемая на тиристоре пиковая мощность имеет максимальное значение и локализована в одной или нескольких точках, что приводит к локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента.
 |
|
Рис. 10. Включение тиристора только в локальной точке
|
Сигнал в цепи управления, выходящий за пределы области безопасной работы, например, ток управления большой амплитуды, а также напряжение и ток обратной полярности в цепи управления могут привести к отказу прибора с характерной локальной областью разрушения, аналогичной приведенной на рисунке 10.
Попадание в цепь управления высокого напряжения и, как следствие, возникновение неограниченного тока по цепи управления приводит к локальному перегреву и разрушению полупроводникового элемента. Характерное для такого типа отказа проплавление в области вспомогательного тиристора показано на рисунке 11.
 |
|
Рис. 11. Проплавление в области вспомогательного тиристора
|
Одновременное присутствие сигнала управления и обратного анодного напряжения. В этой ситуации за счет транзисторного эффекта резко увеличивается обратный анодный ток (ток утечки), который значительно превышает предельно допустимые значения для тиристора. В результате вблизи управляющего электрода локализуется значительная мощность, которая способна привести к разрушению прибора, причем, чем больше сигнал управления, тем больше ток утечки, а значит, выделяемая мощность. Следует также учитывать, что с ростом температуры ток утечки увеличивается и повышается вероятность параметрического отказа СПП. Данный режим работы не рекомендуется к применению, но допустим в особых случаях при всестороннем изучении конкретной схемы и выбора режимов работы тиристора, гарантирующего его длительное и надежное функционирование.
В случае штатного импульса управления тиристор включается по всему периметру управляющего электрода вспомогательного тиристора, и продольное распространение включенного состояния имеет конечную скорость (см. рис. 12). Таким образом, при значительных скоростях нарастания анодного тока и ограниченности скорости распространения включенного состояния тиристора локальная плотность тока вблизи управляющего электрода вспомогательной структуры может превысить свое предельное значение, что вызовет перегрев и разрушение полупроводникового элемента. Аналогичная ситуация возникает при малой скорости нарастания тока управления.
Характер области разрушения, как правило, сходен с приведенным на рисунке 9.
Подобный механизм отказа может возникнуть также при включении основного тиристора. В этом случае область разрушения находится вблизи управляющего электрода основного тиристора (см. рис. 13). Как правило, отказ, аналогичный изображенному на рисунке 13, происходит в частотно-импульсных режимах, т.е. при превышении нормы на повторяющееся значение предельно допустимого di/dt, а отказ, аналогичный изображенному на рисунке 10 — при превышении нормы однократного предельно допустимого di/dt.
|
5. Нештатное переключение тиристоров по аноду без сигнала управления.
В этом случае наиболее характерны следующие причины, ведущие к отказу.
Переключение из-за превышения допустимой скорости нарастания прямого напряжения (эффект dv/dt). Для этого вида отказа локальная область разрушения может находиться в пределах катодных областей основного или вспомогательного тиристоров. Наиболее характерно их расположение вблизи управляющего электрода — вспомогательного тиристора (см. рис. 9) или основного тиристора (см. рис. 13), т.к. эти области, как правило, наиболее чувствительны к переключению, инициированному емкостным током.
Переключение при прямом напряжении в конце процесса рассасывания заряда за время меньшее времени выключения (tq). Такой нештатный режим переключения схематично изображен на рисунке 14. Наиболее вероятным местом разрушения является катодная область основного тиристора. Такой характер повреждения типичен в условиях, когда концентрация электронно-дырочной плазмы в базовых слоях прибора недостаточна для инициирования процесса переключения по относительно большой площади кристалла. Этот процесс происходит локально, как правило, в одной или нескольких точках, имеющих наибольшее время жизни носителей заряда, либо характеризуемых наименьшей эффективностью распределенной катодной шунтировки.
 |
|
Рис. 14. Нештатный режим переключения
|
Отказ при перенапряжениях в прямом или обратном направлениях. Сильное электрическое поле создает лавинный пробой. Кроме того, усиливается электрическое поле на поверхности. Отказ в этих случаях, как правило, возникает на периферии полупроводникового элемента тиристора или диода (см. рис. 15).
 |
|
Рис. 15. Отказ на периферии полупроводникового элемента
|
Наиболее чувствительными характеристиками, изменение которых может служить критерием выработки ресурса, являются следующие.
– Ток утечки в закрытом состоянии (для тиристоров), обратный ток (для диодов и тиристоров). Для выработавших ресурс СПП характерны повышенные токи утечки (обратные токи) даже во время измерения при комнатной температуре. Этот эффект возникает из-за старения защитного компаунда на периферии полупроводникового элемента СПП и деградационных явлений на поверхности полупроводника в области выхода на поверхность высоковольтных p-n-переходов (область фаски). Величина тока утечки при комнатной температуре при этом может составлять несколько миллиампер, а при максимальной температуре еще не превышать установленную производителем максимальную норму. Тем не менее наличие повышенного тока утечки при комнатной температуре есть прямое указание на то, что прибор уже потенциально ненадежен и должен быть снят с эксплуатации.
– Падение напряжения во включенном состоянии, прямое падение напряжения. Увеличение этих характеристик СПП происходит, в основном, за счет деградации контактных поверхностей внутри СПП — металлизированной поверхности катода полупроводникового элемента, поверхности анодного термокомпенсатора, контактных прокладок. При длительной эксплуатации возможно также возрастание падения напряжения за счет уменьшения времени жизни носителей заряда в слоях полупроводниковой структуры под воздействием космического излучения.
– Тепловое сопротивление. Причина его возрастания также, в основном, из-за деградации контактных поверхностей.
Измерение указанных характеристик является неразрушающим методом, позволяющим определить выработку ресурса на части приборов. При этом фиксация выхода этих параметров за пределы заданных производителем норм является только лишь достаточным условием, определяющим выработку прибором ресурса, т.к. новые приборы поставляются с некоторым технологическим «запасом» относительно предельных значений норм, а динамика изменения характеристик в процессе эксплуатации обычно не отслеживается.
Окончательное решение о выработке ресурса можно, как правило, принять, лишь вскрыв прибор (или контрольную группу однотипных приборов) и визуально исследовав состояние контактных поверхностей.
Фирмы-изготовители, как правило, стараются как можно полнее описать область безопасного функционирования для выпускаемых приборов, учитывая их конструктивно-технологические особенности. Однако учесть все нюансы, возникающие в различных режимах эксплуатации приборов, зачастую все же не удается. При этом могут возникать ситуации, когда определенная последовательность безопасных по отдельности режимов может создать предпосылки для отказа прибора.
Поясним сказанное на конкретном примере, описывающем реально возникший случай отказа. Высоковольтный тиристор эксплуатировался в преобразователе в режиме, характеризующемся длительной работой при малом анодном токе (на углах зажигания около 180°). Затем угол зажигания скачком уменьшался, и анодный ток резко возрастал, однако его среднее и амплитудное значение не превышало допустимых пределов. Режим работы на малом токе также не выходил за границы области безопасной работы. Несмотря на то что включался только вспомогательный тиристор, его перегрев не приводил к превышению максимально допустимой температуры.
Тем не менее последовательность этих двух безопасных режимов приводила к отказам, которые имели систематический и массовый характер. Область разрушения находилась в области катода вспомогательного тиристора и имела характер, близкий к показанному на рисунке 11.
Причина отказов заключалась в следующем. При работе в режиме малых токов происходил локальный разогрев области вспомогательного тиристора, тогда как область основного тиристора оставалась холодной. После резкого перехода в режим относительно больших анодных токов возникала (из-за разницы температуры основной и вспомогательной тиристорных структур) ситуация, когда вспомогательный тиристор не отключался после включения основного, причем уровень тока вспомогательного тиристора превышал безопасный предел (см. рис. 16). Этот ток перегрузки и приводил в конечном итоге к недопустимому перегреву вспомогательной структуры и последующему тепловому пробою.
 |
|
Рис. 16. Уровень тока вспомогательного тиристора превысил безопасный предел
|
Таким образом, отказ тиристоров произошел из-за неучета конкретных особенностей прибора данного типа: уровня минимального анодного тока, необходимого для включения основного тиристора и температурных характеристик ВАХ во включенном состоянии структур основного и вспомогательного тиристоров. При этом пользователь не владел информацией об указанных характеристиках, т.к. она не входит в стандартных набор характеристик в информационных материалах. А изготовитель, владевший информацией об этих особенностях, не имел всех данных о применении его тиристоров в конкретной аппаратуре пользователя…
Из сказанного ясно, что поиск причин отказов, которые возникли из-за неучтенных особенностей характеристик применяемых приборов, определяющихся особенностями их конструкции и технологии изготовления, является весьма сложной задачей, решение которой, как правило, невозможно без тесного взаимодействия изготовителя и потребителя.
Таким образом, чтобы не допустить отказ прибора, необходимо строго следовать рекомендациям по его применению, описанных в технических условиях, паспортах и информационных материалах.
Идентификация причин ряда отказов СПП является весьма сложной задачей, которая успешно решается только при плотной совместной работе потребителя и завода-изготовителя.