器件应力降额标准(全品类器件).docx

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器件应力降额规范

XXX电力系统技术有限公司

修订信息表

版本

修订人

修订时间

修订内容

V1.0

研发三部

2008-8-11

1、 新制定

第一部分 总则

1前言

《器件应力降额规范》是本公司产品可靠性设计所必须依据的重要的基础规范之一。

通过对应用于产品中的器件应力的降额系数的规定，达到降低器件失效率、提高器件使用寿命、增强对供方来料质量的适应性、以及对产品设计容差的适应性的目的，从而提高产品可靠性水平。

适当的器件应力降额不仅可以提高产品的可靠性，同时还有助于使产品寿命周期费用最低。

本规范由XXX电力系统技术有限公司研发三部拟制，适用于本公司产品的设计、开发及相关活动。

2目的

规范器件应力降额标准，保证产品应用可靠性；

3适用范围

本规范适用于XXX电力系统技术有限公司所有新产品的设计、开发，以及在产产品的优化。

除非产品规格书中对器件可靠性、寿命等有特殊指定的要求，否则器件降额均依据此规范进行。

4关键词

应力降额，冗余设计，可靠性，额定工作点；Derating,DesignMargin,Reliablity，Rated Point；

5引用/参考标准或资料

6产品等级、产品I、II工作区、产品额定工作点定义

6.1 产品等级的定义

产品等级应在产品规格书中给出，产品等级不同，对应的器件降额标准也不同。

产品等级定义如下：

A级产品：

保修期为2～3年（含2年）。

B级产品：

保修期为1～2年（不含2年）。

目前我司产品一般设计为B类产品，因此本规范只涉及到B类产品的降额。

6.2 关于I、II工作区、产品额定工作点的定义

产品I工作区：

当电源类产品在正常工作时，应满足产品手册规定的如下条件：

（a）按产品手册规定进行装配。

（b）输出电压在产品手册规定变化范围内，输出功率在额定最小值到最大值间。

（c）输入在产品手册规定的电压和频率范围内。

（d）各种环境条件如温度和湿度等，在产品手册规定的范围内。

下图为电源的输入输出示意图，图中的阴影部分，即为电源的“稳态”工作区（包含极限工作条件），我们将该区称之为电源的I工作区。

电源在此区域任何点要求能够长时间工作，因此在此区域下，器件的降额使用要求也比较严格。

 （可以这样理解：

I 区里面的任何点对应的均是器件可能遭受到的长时间工作的点。

）

在I区中，针对某项应力（如电压）来说，存在某一点（区域） ，在该点（区域）上器件所承受的此项应力最大，我们将此点（区域）的情况称为该项应力的I工作区最坏情况。

产品额定工作点：

是指我司产品规格书中所规定的产品标称典型工作条件的组合，并考虑到客户应用中最常见的工作条件（主要是输入电压、负载、工作环境温度等）。

若产品规格书未指明典型工作条件，则以标称工作范围的最大值代替。

产品额定工作点属于产品的I工作区，产品额定工作点基本上代表了产品在市场上的典型运行情况，如负载为测试负载率的75%等，因此在产品额定工作点下，对于某些器件来讲，为了保证其低失效率，在该点下的降额比“I工作区最坏情况”的降额要求更加严格。

产品II工作区：

如图中阴影之外的部分均表示电源工作在II 工作区（“暂态”工作区），II工作区是产品短时间过渡工作的区域，例如开机启动、输入欠压、OCP过流保护、OVP过压保护、电源负载跳变（如空载到满载，空载到短路，半载到满载等等）、输入跳变等。

电源风扇停转之后，如有器件仍在工作，则也必须对器件应力考核点加以考虑测试（尤其是发热元件可能出现的最高温度），该情况亦规定为电源工作在II区。

（可以这样理解：

II区虽然是电源工作时也将碰到的情况，但II区里面的点对应的则是器件短暂时间工作的点。

）

同样在II 区中，针对某项应力来说，器件可能遭受到的最坏情况我们称为该项应力的II工作区最坏情况。

由于电源工作在II 区的时间一般来说很短，因此在此情况下器件的降额百分比不如 I 区严格。

但必须注意，实际情况中 II 区的器件应力往往比 I 区大得多，如果实际设计时疏忽了此区域的降额，则很有可能导致损坏（例如在开机、输出短路等情况下的损坏，等等）。

II工作区最坏情况代表器件在II 区最恶劣的情况，它往往是多种条件的组合，例如功率管最高的结温可能发生在“最低压输入；最高工作环境温度；满载输出到短路的瞬间”等多种条件组合。

因此在实际的测试过程中这种最恶劣的点往往需要依靠我们耐心地寻找以及依靠经验的积累。

7偏离降额的说明

只有在某些特殊的情况下，允许产品设计时其器件偏离本降额规定使用，但前提是必须保证产品的可靠性，并且必须按照严格的流程并出具相关的偏离降额分析报告。

特别指出，针对大功率磁性元器件，由于其特殊的热特性，在对大功率磁性元器件的热降额考核时，不将其标幺到其在最高工作环境温度时达到的最高温度，只以在普通环境下测得的温度为准。

如在环境温度为25度下测得温度为130度，在实际核算降额时不考虑其在规格书中要求的最高工作温度40度下的降额，即不增加15度，而只以130度为准，同样做为40度的考核值。

第二部分 降额规范内容

第一章半导体分立器件

1.1功率MOSFET降额规范

器件应力考核点：

漏源电压Vds，栅源电压Vgs，漏极电流Id；结温Tj

1.1.1 器件应力降额

1.1.1.1 漏源电压Vds（平台电压和尖峰电压）

在最坏的情况下，漏源电压Vds的平台电压部分必须满足下表：

应力考核点

产品工作区域

器件规格

B级产品

Vds平台电压

产品额定工作点

额定值小于等于500V的MOSFET

＜80%额定击穿电压

额定值大于500V的MOSFET

＜75%额定击穿电压

I工作区最坏情况注1

额定值小于等于500V的MOSFET

＜90%额定击穿电压

额定值大于500V的MOSFET

＜85%额定击穿电压

在最坏的情况下，漏源电压的尖峰电压高度必须满足下表：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

Vds尖峰电压

产品额定工作点注1

＜95%额定击穿电压

I工作区最坏情况注2

＜100%额定击穿电压

II工作区最坏情况注2

符合雪崩降额要求注2

注1：

对于额定工作点和I工作区，电压尖峰底部的时间宽度必须小于工作周期的1/50,当不满足此条件时，那么对于尖峰中大于工作周期1/50宽度的部分必须按平台降额的要求进行考核。

对于II工作区（瞬态情况）电压尖峰宽度不作此要求，只要求电压最大值（不论平台和尖峰）不超过额定电压即可。

1.1.1.2 栅源电压Vgs

在最坏的情况下，栅源电压Vgs（包含负栅源负偏压）必须满足下表：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

栅源电压Vgs

I工作区最坏情况

（含产品额定工作点）

＜85%额定击穿电压

II工作区最坏情况

＜100%额定击穿电压

在保证Vgs降额的同时，还应尽量避免栅极电压波形出现振荡和毛刺，如果设计中无法避免时，必须仔细检查这种振荡和毛刺是否会引起MOSFET误导通（通过对比检查Vds和Id波形）。

另外，要求采取相应的措施，保证开机时栅极电位没有“悬浮起来不为零”。

（例如，在GS间并联一个10KΩ以上的电阻可以有效防止栅极电位因静电等原因而悬浮。

）

1.1.1.3 结温Tj

在最坏的情况下，MOSFET最高结温Tj必须满足下表：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高稳态结温

产品额定工作点

＜80％最高允许结温

I工作区最坏情况

＜85％最高允许结温

最高瞬态结温

II工作区最坏情况

＜95％最高允许结温

注：

I区中最高稳态结温Tj通常发生在最高环境温度和最大负载条件下。

II区中最高瞬态结温Tj通常发生在开机、短路瞬时大电流尖峰等异常情况下。

1.1.1.4 漏极电流Id

在最坏的情况下，漏极电流Id必须满足下表：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

漏极电流均方根有效值

产品额定工作点

＜70%相应壳温下的额定电流值

I工作区最坏情况

＜80%相应壳温下的额定电流值

漏极瞬态电流最大值

II工作区最坏情况

＜70%额定峰值电流Idm

注：

随着壳温升高，MOSFET的额定电流将下降，厂家资料通常给出了Tc＝25℃下的额定电流值以及额定电流Id～Tc的变化关系曲线。

1.1.4 降额考核点的测试或估算

1.1.2.1 漏源电压Vds

在实际测量时，可以采用100MHz存贮示波器测试结果作为是否超出降额规定的判定数据。

1.1.2.2 栅源电压的测量

同上可以采用100MHz存贮示波器的测试结果作为判定数据。

1.1.2.3 器件壳温Tc的测量与结温Tj的估算

器件壳温的测试请参照UPS热测试规范

如果器件本身外部壳体无散热片，则以器件外部壳体上最热点作为器件的壳温。

结温的估算公式为：

Tj =Tc+P*Rthjc （P－MOSFET的功耗，Rthjc－MOSFET结到壳的热阻。

）

1.1.2.4 漏极电流的测量

采用电流枪串入电路中进行直接测试，必要时可以加长电路引线以保证电流枪的串入，引线应该尽可能地短，减小线路寄生参数带来的影响。

在某些情况下，为了方便，也可以测试MOSFET附近回路元件的应力参数（如电流互感器、电流取样电阻等），来近似计算流过MOSFET的漏极电流。

1.2IGBT降额规范

器件应力考核点：

正向电压VCE，反向电压VEC，集电极平均电流IC，

集电极脉冲电流ICM，结温TJ，栅极电压VGE。

1.2.1 器件应力降额

1.2.1.1 正向电压VCE和反向电压VEC

IGBT工作时主要承受正向电压VCE，在不带反并二极管应用时应考核反向电压VEC的降额。

取最大峰值电压值计算降额，最坏情况下，允许电压降额系数为：

应力考核点

产品工作区

B级产品

最高正向（C-E）峰值电压VCE

产品额定工作点

＜80%额定电压

Ⅰ工作区最坏情况

＜90%额定电压

Ⅱ工作区最坏情况

＜100%额定电压

最高反向（E-C）峰值电压VEC

Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况

＜90%额定电压

注：

产品过载工作时的电压应力按Ⅰ工作区最坏情况要求进行考核。

1.2.3.2 集电极平均电流IC、集电极脉冲电流ICM

集电极电流的降额考核分平均电流和脉冲电流两项，但脉冲电流的考核只在电流波形同时满足以下三条件时有考核要求：

①、工作频率小于10KHz，②、电流波形的峰值大于对应温度下的平均电流额定值，③电流峰值高出平均值部分的宽度大于5uS。

在换算成同一壳温条件进行比较时，允许的电流降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最大平均电流IC

产品额定工作点

＜60%同等壳温额定值

Ⅰ工作区最坏情况

＜80%同等壳温额定值

最大脉冲电流ICM

Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况

＜90%同等壳温额定值

注：

产品过载工作时的电流应力按Ⅰ工作区最坏情况要求进行考核。

1.2.3.3 结温TJ

一般情况可以只考核最高稳态结温降额，以下两种情况下建议追加对最高瞬态结温降额的考核：

①、测试中发现有瞬时（0.1mS 以上）功率过载（超过最大耗散功率）出现；②、电流容量400A以上的IGBT模块。

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高稳态结温Tj

产品额定工作点

＜80%最高允许结温

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%最高允许结温

最高瞬态结温Tj

Ⅱ工作区最坏情况

＜95%最高允许结温

注：

产品过载工作时的温度应力按Ⅰ工作区最坏情况要求进行考核。

1.2.3.4 栅极电压VGE

这里所指的栅极电压是实际加到IGBT栅极与发射极两端的电压，分正偏压和负偏压两项。

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高栅极正偏压VGE

最高栅极负偏压-VGE

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%最大额定值

Ⅱ工作区最坏情况

＜最大额定值

1.3晶闸管降额规范

器件应力考核点：

正向峰值电压VDRM，反向峰值电压VRRM，平均电流IFAV，

浪涌电流IFMAX，结温Tj，电压上升率dv/dt，电流上升率di/dt，门极功率PG

1.3.1 器件应力降额

1.3.1.1 正向峰值电压VDRM和反向峰值电压VRRM

晶闸管的电压降额从两个方面考虑：

最高正向峰值电压VDRM和最高反向峰值电压VRRM，Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况下允许使用电压的降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高正向峰值电压VDRM

最高反向峰值电压VRRM

产品额定工作点

＜75%对应额定值

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%对应额定值

Ⅱ工作区最坏情况

＜100%对应额定值

1.3.1.2 平均电流IFAV和浪涌电流IFMAX

晶闸管的电流降额分最大平均电流和最大浪涌电流两项，一般情况下只需考核平均电流降额，浪涌电流降额只在其值大于对应额定值50%时有考核要求（此时应在降额表中填写I2t值，计算方法参见整流桥降额操作指导书相关内容）。

在对应的温度条件下，平均电流或浪涌电流的降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最大平均电流IFAV

产品额定工作点

＜70%同等壳温额定值

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%同等壳温额定值

最大浪涌电流IFMAX

Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况

＜75%同等壳温额定值

注:

 过载工作时的电流应力按Ⅰ工作区最坏情况要求进行考核。

1.3.1.3 稳态结温Tj和瞬态结温Tj

结温考核分稳态结温和瞬态结温两项，一般情况只须考核稳态结温的降额，当有浪涌电流考核要求时必须考核瞬态结温降额。

最坏情况下允许的降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高稳态结温Tj

产品额定工作点

＜80%最高允许结温

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%最高允许结温

最高瞬态结温Tj

Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况

＜95%最高允许结温

注:

 过载工作时的温度应力按Ⅰ工作区最坏情况要求进行考核。

1.3.1.4 电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt

晶闸管在阻断状态下承受的电压上升率dv/dt和开通过程中承受的电流上升率di/dt均应针对额定值降额使用（雷击或浪涌条件下di/dt可全额使用）。

最坏情况下允许的dv/dt和di/dt降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高重加电压上升率dv/dt

Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况

＜85%对应额定值

最高阳极电流上升率di/dt

1.3.1.5 门极峰值功率PGM和门极平均功率PGAV

普通晶闸管的门极功率必须限制在一定范围，门极功率下限值要求保证在额定极低温下晶闸管能可靠开通，允许的门极峰值功率和平均功率上限值降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

门极功率峰值PGM

Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况

＜80%对应最大额定值

门极功率平均值PGAV

1.4整流桥降额规范

器件应力考核点：

反向电压VR、平均电流IFAV、浪涌电流IFMAX、结温TJ

1.4.1 器件应力降额

1.4.1.1 最高反向峰值电压VR

整流桥通常用作输入整流，在开关机状态（Ⅱ工作区）、电网突变及负载突变等情况下将承受较高反向电压，最坏情况下、Ⅰ、Ⅱ工作区允许使用电压的降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高反向峰值电压VR

产品额定工作点

＜65%额定值

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%额定值

Ⅱ工作区最坏情况

＜100%额定值

1.4.1.2 最大平均电流IFAV、最大浪涌电流IFMAX

整流桥的电流考核分最大平均电流和最大浪涌电流两项，一般情况下只考核平均电流（双管考核单个管芯的平均电流IFAV、单相或三相桥考核总输出电流IO），浪涌电流只在其值大于对应额定值50%时有考核要求（此时应在降额表中填写I2t值）。

在换算到同一温度条件下进行比较时，平均电流或浪涌电流的降额系数为：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最大平均电流IFAV（或IO）

产品额定工作点

＜70%同等壳温额定值

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%同等壳温额定值

最大浪涌电流IFMAX

Ⅰ、Ⅱ工作区最坏情况

＜80%同等壳温额定值

注:

 过载工作时的电流应力按Ⅰ工作区最坏情况要求进行考核。

1.4.1.3 最高结温TJ

一般情况可以只考核最高稳态结温降额，当浪涌电流有考核要求时追加对最高瞬态结温的考核：

应力考核点

产品工作区域

B级产品

最高稳态结温TJ

产品额定工作点

＜80%最高允许结温

Ⅰ工作区最坏情况

＜85%最高允许结温

最高瞬态结温TJ

Ⅱ工作区最坏情况

＜95%最高允许结温

1.5 功率二极管降额规范

器件应力考核点：

反向电压VRM，正向电流IF，结温TJ

1.5.1 器件应力降额

1.5.1.1 反向电压VRM

在正常使用条件及最坏应力情况下，二极管承受的最大反向电压VRM降额必须满足下表：

应力参考点

产品工作区域

B 级产品

额定反向耐压≤500V

最大反向电压VRM

产品额定工作点

＜85%额定击穿电压VRRM

I工作区最坏情况

＜95%额定击穿电压VRRM

II工作区最坏情况

＜100％额定击穿电压VRRM

额定反向耐压＞500V

最大反向电压VRM

产品额定工作点

＜75%额定击穿电压VRRM

I工作区最坏情况

＜85%额定击穿电压VRRM

II工作区最坏情况

＜90％额定击穿电压VRRM

1.5.3.2 正向电流IF

二极管的正向电流的降额包括在正常使用及最坏应力情况下的正向平均电流IFAV的降额，正向重复脉冲电流IFR的降额和在II工作区出现的浪涌电流IFSM的降额，降额必须满足下表：

应力参考点

产品工作区域

B 级产品

正向平均电流IFAV

产品额定工作点

＜80%相应壳温下的最大平均电流IFAVM（TCU）

I、II工作区最坏情况

＜90%相应壳温下的最大平均电流IFAVM（TCU）

重复峰值电流IFR

I、II工作区最坏情况

＜70%相应壳温下的最大峰值电流IFRM（TCU）

浪涌电流IFS

II工作区最坏情况

＜70%相应壳温下的最大浪涌电流IFSM（TCU）

说明：

1）上表中IFAVM（TCU）是正向额定平均电流IFAVM对应壳温TCU的温度降额值，即二极管在该壳温下的最大允许正向平均电流。

如果二极管的壳温TCU低于手册中规定测试温度TC时：

IFAVM（TCU）＝IFAVM

电流降额值计算如下：

DIF =IFAV/IFAVM *100%

如果二极管的壳温TCU超过手册中规定测试温度TC时：

IFAVM（TC）＝IFAVM*（TJM-TCU）/（TJM-TC）

则电流降额值计算如下：

DIF =[IFAV/IFAVM]*[（TJM-TC）/（TJM-TCU）]*100%

2）如果二极管的正向电流为脉冲电流，则按以下处理：

将脉冲电流IFR折算成平均电流IFAV，按正向平均电流IFAV进行降额计算。

对脉冲电流IFR的峰值进行降额计算，计算方法同正向平均电流IFAV的计算：

降额值为：

DIFR=[IFR/IFRM]*[（TJM-TC）/（TJM-TCU）]*100%

3）对于II工作区出现的浪涌电流IFS，也要进行降额计算，计算方法同正向平均电流：

降额值为：

DIFS=[IFS/IFSM]*[（TJM-TC）/（TJM-TCU）]*100%

4）如果二极管为无散热片封装，则上述二极管壳温TCU更换为环境温度TAU，计算方法不变。

5）当二极管并联使用时，考虑到二极管温度特性，电流可能出现不均匀分配，因此不能简单地进行电流叠加，二极管的电流降额还需在叠加的基础上再进行降额10％（对于同一封装体内互相绝缘的二极管并联和不同封装的二极管并联）或者20％（对于不同封装的二极管三管并联）。

1.5.3.3 结温TJ

在正常使用及最坏应力情况下，二极管达到热平衡时的结温TJ降额必须满足下表：

应力参考点

产品工作区域

B 级产品

结温TJ

产品额定工作点

＜80％最高允许结温TJM

I工作区最坏情况

＜85％最高允许结温TJM

II工作区最坏情况

瞬态结温＜95％最高允许结温TJM

结温计算方法：

结温无法直接测试，只能通过测试器件的环境温度TA或外壳温度TC，通过器件消耗的功率PD，及器件的相应热阻Rthjc或Rthja，计算得出：

TJ=TCU+Rthjc*PD

PD为二极管消耗的功率，TCU为二极管实际工作壳温，Rthjc为二极管结到壳的热阻。

如果二极管为无散热片封装，则计算公式为：

TJ=TAU +Rthja*PD TAU为二极管工作环境壳温，Rthja为二极管结到环境的热阻。

结温降额如下：

DTJ=TJ/TJM*100%

1.6 信号二极管降额规范

器件应力考核点：

反向电压VRM，正向电流IF，结温TJ

1.6.1 器件简述

信号二极管是指额定电流小于1A的二极管，工作在信号电路和控制电路等功耗很小的电路中。

信号二极管包括肖特基（信号）二极管和开关二极管。

肖特基二极管正向压降低，反向恢复特性好，反向漏电较大，适用于对正向压降和频率响应要求较高的电路中；开关二极管反向恢复时间较短，反向漏电小，适用于对反向耐压和反向漏电要求较高的电路中。

1.6.2 器件应力降额

1.6.2.1 反向电压VRM

在正常使用条件及最坏应力情况下，二极管承受的最大反向电压VRM必须满足下表：

应力参考点

产品工作区域

B 级产品

反向电压VRM

I、II工作区最坏情况

＜90%额定击穿电压VRRM

1.6.2.2 正向电流IF

在正常使用及最坏应力情况下，二极管的正向平均电流IFAV降额必须满足下表：

应力参考点

产品工作区域

B 级产品

正向平均电流IFA

I、II工作区最坏情况

＜85%相应壳温下的最大平均电流IFAV（TAU）

说明：

1）如果二极管的壳温TAU低于手册中规定测试温度时：

IFAV（TAU）＝IFAVM IFAVM为二极管手册中规定的最大正向平均电流

则电流降额值计算如下：

DIF＝[IFAV/IFAVM]*100%

如果二极管的壳温TAU超过手册中规定测试温度TA时：

IFAV（TAU）＝IFAVM*[（TJM-TAU）/（TJM-TA）]

则电流降额值计算如下：

DIF＝[IFAV/IFAVM]*[（TJM-TA）/（TJM-TAU）]*100%

2）实际使用时，如果二极管的正向电流为脉冲方式，可折算成平均电流后，进行降额计算。

脉冲电流的峰值不能大于二极管额定重复峰值电流IFRM。

3）当信号二极管的平均电流不大于额定值的10％或20mA时，可以不进行电流降额计算。

1.6.2.3 结温TJ

在正常使用及最坏应力情况下，二极管达到热平衡时的结温TJ降额必须满足下表：

应力参考点

产品工作区域

B 级产品

A 级产品

结温TJ

I、II工作区最坏情况

＜85％额定最高结温TJM

结温计算方法：

结温无法直接测试，只能通过测试器件的环境温度或外壳温度，通过器