元器件降额设计

常对元器件可靠性的提
新工艺的设计；
高有限；
3. 由于费用和技术原因，设备失效后无法或
3. 可能难以实现。
不宜维修；
4. 系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。
II级降额
1. 中等降额，对元器件使 用可靠性有明显改善；
2. 易于实现。
1. 设备的失效将可能引起装备与保障设施的 损坏；
2. 有高可靠性要求，且采用了某些专门的设 计；
❖ 电流放大系数：±15%（适用于已经筛选的晶体管） ±30%（适用于未经筛选的晶体管）
❖ 漏电流：+200% ❖ 开关时间：+20% ❖ 饱和压降：+15%
例1：晶体管降额设计（续2）
反向电压、电流、功率降额准则
降额参数
降额等级
Ⅱ
Ⅲ
反向电压1）
电流 功率
0.70 0.602） 0.70 0.65
3. 需支付较高的维修费用。
III级降额
1. 最小的降额，对元器件 使用可靠性改善的相对 效益最大；
2. 可靠性改善的绝对效果 不如I级和II级降额；
3. 最易实现。
1. 设备失效不会造成人员和设施的伤亡和破 坏；
2. 设备采用成熟的标准设计。 3. 故障设备可迅速、经济地加以修复； 4. 对设备的尺寸、重量无大的限制。
降额等级
Ⅱ
Ⅲ
0.80
0.90
0.70
0.80
晶体管结温计算
-热阻计算法
❖ 小功率器件（无散热器）：
Tj=TA+QjA•Pj QjA =(Tj (max)−Ts ) / Pj (max)
式中：
QjA ：结与环境间热阻，℃/W； Pj ：平均耗散功率，W。 Tj(max) ：器件额定结温，℃； Ts ：器件最大额定功率允许的环境温度上限，℃； Pj(max) ：器件的最大额定功率，W。
安全性 尺寸重量
对于常规的安全性大纲，没有预期问题的系统 对于系统或设备潜在的损坏费用高的系统 对于那些对工作人员的生命存在潜在危险的 对于没有严格设计限制、按照标准方法设计的系统 对于需要专门设计特性的，提要求困难的系统
寿命周期
对于需要新方案的、存在严格设计限制的系统 对于维修费用低、预期没有异常高费用备件的系统 对于维修费用较高、或特别高费用备件的系统 对于需要完全替代的系统
按Ⅱ降额， Tj=125℃，实际结温超过11.5 ℃！！！
回顾
❖ 为什么要进行降额设计？ ❖ 如何进行降额设计？
降额设计的要点？ 影响降额设计的因数？ 降额设计的难点？
得分
1 2 3 1 2
3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
降额等级的确定（续）
降额等级
总分
I
11～15
II
7～10
III
6或以下
元器件的质量水平
❖ 必须根据产品可靠性要求选用适合质量等级 的元器件；
❖ 不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的 使用问题。
详细要求
❖ 失效机理、应力参数 ❖ 应用指南（具体措施） ❖ 降额准则（降额等级、应力比）
降额的限度
❖ 降额是有限度的。超过最佳范围的更大降额， 元器件可靠性改善的相对效益下降；有时过 度的降额反而会使设备的可靠性下降。下图 为硅NPN晶体管基本失效率曲线。
降额量值的调整
❖ 不应将本标准所推荐的降额量值绝对化。 ❖ 降额是多方面综合分析（重量、体积和成本、
可维修性、环境温度等）的结果。在实际使 用中允许降额值作一些变动； ❖ 不应轻易改变降额等级（如从II级降额变到III 级降额）。
晶体管结温计算
-热阻计算法（续）
❖ 功率器件（带散热器）
Tj=Tc+QjC•P TC=TA+QCA•P
式中： QjC ：结与管壳间的热阻，℃/W； QjC ：散热器的热阻，℃/W；
❖ 例如：BFG135的详细规范确定了：
Tj(max) =175℃，TS=145℃，Pj（MAX）=1W， 假设QCA=80 ℃/W，TA=65℃，Pj=0.65W(Ⅱ降额） 则QjC=（175-145）/1=30 ℃/W， TC=65+80*0.65=117 ℃，Tj=117+30*0.65=136.5 ℃
0.80 0.702） 0.80 0.75
1）直流、交流和瞬态电压或电流的最坏组合不得大于降额 后的极限值（包括感性负载）。
2）适用于功率MOSFET的栅－源电压降额。
例1：晶体最管高降结温额降设额准计则（续3）
最高结温 Tjm℃
200
175 不大于150
降额等级
Ⅱ
Ⅲ
140
160
125
145
Tjm-40
因素
降额等评级分标准的确定
可靠性 要求
对于已经证实的设计，用标准部件可以达到的系统 对于高可靠性要求，需要专门的设计特性， 对于现代化科技要求的新设计及新的方案
对于易接近的、快速和经济维修的系统 系统维修 对于维修费用高、接近受限制、需要高技术等级的、允许工作时间不能很短的系统
对于不能拆卸维修、得不到经济合理维修的系统
例1：晶体管降额设计
❖ 失效机理
高温（“热疲劳”失效 –功率晶体管）
二次击穿
❖ 应力参数
功耗（电流、电压）和结温 反向电压
例1：晶体管降额设计（续1）
❖ 应用指南
根据功率晶体管的相关详细规范要求限制壳温的 最大变化值；
瞬间电压峰值和工作电压峰值之和不得超过降额 电压的限定值；
可接受的主要参数设计容差：
要考虑的几个问题
❖ 为什么要进行降额设计？ ❖ 如何进行降额设计？
降额设计的要点？ 影响降额设计的因数？ 降额设计的难点？
为什么要进行降额设计？
❖ 目的：
延缓元器件参数退化，提高使用可靠性。
降额设计要点-两个度量值
❖ 应力比
元器件工作应力与额定应力之比。又称降额因子。 电应力 热应力 机械应力
Tjm-20
晶体管结温计算
-近似计算法（当热阻未ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时）
❖ 小功率管：Tj=TA+30 ❖ 中功率管：Tj=TC+30
式中： ❖Tj ：晶体管结温，℃； ❖TA ：环境温度， ℃ ； ❖TC ：管壳温度，℃ ；
例1：晶体管降额设计（续4）
功率晶体管安全工作区降额准则
降额 参数
集电极-发 射极电压
集电极最大 允许电流
❖ 环境温度
降额等级的划分
❖ I级降额 ❖ II级降额 ❖ III级降额
降额等级的划分（续）
降额等级
特点
适用情况
I级降额
1. 最大的降额，对元器件 1. 设备的失效将导致人员伤亡或装备与保障
使用可靠性的改善最大； 设施的严重破坏；
2. 超过它的更大降额，通 2. 对设备有高可靠性要求，且采用新技术、