ГОСТ Р 71548-2024 Устройства преобразования энергии на основе нитрида галлия. Методы оценки срока службы. Общие положения

Статус документа

ГОСТ Р 71548-2024

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ

Методы оценки срока службы. Общие положения

Energy conversion devices based on gallium nitride. Methods for life assessment. General provisions

ОКС 29.100

Дата введения 2024-11-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом "Научно-производственная фирма "Микран" (АО "НПФ "Микран"), Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ФГБОУ ВО "ТУСУР"), Федеральным бюджетным учреждением "Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Томской области" (ФБУ "Томский ЦСМ"), Федеральным государственным бюджетным учреждением "Российский институт стандартизации" (ФГБУ "Институт стандартизации")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 328 "Сверхвысокочастотная и силовая электроника"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 августа 2024 г. № 1015-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает руководящие указания по разработке методов оценки надежности и срока службы устройств преобразования энергии - силовых ключей на базе нитрида галлия и охватывает следующие аспекты:

а) подход с широким охватом области работы силового ключа, использующий кривую переключения для представления жестких режимов эксплуатации;

б) разработка моделей оценки срока службы силового ключа, основанных на кривой переключения;

в) подтверждение надежной работы силового ключа в реальных условиях применения.

2 Термины, определения, сокращения и обозначения

2.1 В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1.1 базовая ячейка: Коммутационная ячейка на силовых ключах на базе нитрида галлия.

2.1.2 жесткое переключение: Метод переключения при высоком импульсном токе и напряжении сток-исток, в основном происходящего при коммутации активно-индуктивной нагрузки.

Примечания

1 В режиме жесткого переключения осуществляется перекрытие напряжения сток-исток и тока канала, при котором силовое устройство переключается либо из состояния "включено" в состояние "выключено", либо из состояния "выключено" в состояние "включено". Преобразователи с жестким переключением представляют собой повышающие преобразователи с коррекцией коэффициента мощности, понижающие преобразователи, инверторы управления двигателем и несимметричные обратноходовые цепи.

2 Во время включения и выключения на устройство подаются напряжение и ток. При жестком переключении ток стока и напряжение сток-исток резко изменяются, вызывая шумы переключения и потери. Жесткое переключение используется для простых переключателей, преобразователей частоты и импульсных преобразователей питания.

2.1.3 кривая переключения: Траектория сигнала "ток стока - напряжение сток-исток" во время цикла переключения силового ключа.

2.1.4 мягкое переключение: Метод переключения силового ключа при пониженном (или нулевом) напряжении сток-исток и (или) токе стока.

Примечания

1 Режим мягкого переключения соответствует условию, при котором отсутствует перекрытие напряжения сток-исток и тока стока, коммутационный транзистор GaN переключается между состояниями "включено" и "выключено", перекрытие между кривыми напряжения сток-исток и тока стока может происходить из-за коммутационного тока, но этот ток не протекает через канал в состоянии мягкого переключения. Преобразователями с мягким переключением являются преобразователи с переключением при нулевом напряжении, преобразователи LLC, обратноходовые преобразователи с активным ключом и т.п.

2 Мягкое переключение применяется в резонансном контуре LC для включения и выключения устройства при нулевом токе стока или напряжении сток-исток, или время переключения напряжения и ток контролируют, чтобы свести к минимуму их пересечение. При мягком переключении уменьшаются коммутационный шум и потери, так как переключающие устройства включаются и выключаются при нулевом или почти нулевом напряжении сток - исток или токе стока.

3 Мягкое переключение имеет дополнительное преимущество перед жестким переключением с точки зрения безопасной рабочей зоны.

2.1.5 резистивное переключение: Метод переключения силового ключа при резистивной нагрузке.

2.1.6 паразитные параметры: Параметры, которые не относятся непосредственно к испытуемым силовым ключам, например, емкость, индуктивность и сопротивление печатных плат или других соединительных элементов, на которые устанавливаются силовые ключи при испытаниях.

2.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения и обозначения:

МОП - металл-окисел-полупроводник;

СК - силовой ключ на базе нитрида галлия;

AF - коэффициент ускорения нагрузки;

D - коэффициент загрузки;

- энергия активации;

- частота переключения;

, , - функции ускорения для фактора нагрузки;

GaN - нитрид галлия;

- ток стока силового ключа, изменяющийся во времени;

K1, K2, K3, K4 - константы в эмпирических моделях ускорения;

- ток стока силового ключа во включенном состоянии;

- параметр тока стока для представления напряжения переключения;

MTTF - среднее время до отказа для набора факторов нагрузки;

R - сопротивление;

- сопротивление стока силового ключа во включенном состоянии;

- температура корпуса силового ключа;

- время спада при переключении;

- температура полупроводникового перехода силового ключа;

- время нарастания при переключении;

ttf - время до отказа;

- параметр напряжения на стоке для представления нагрузки переключения;

- напряжение сток-исток, изменяющееся во времени;

- напряжение сток-исток силового ключа;

- пороговое напряжение.

3 Методы и требования к испытаниям

3.1 Виды испытаний СК в предельно допустимых режимах

В настоящем стандарте рассмотрены два метода испытаний СК в предельно допустимых режимах: ускоренное испытание для оценки срока службы СК при переключении и испытание для оценки динамического срока службы СК при высоких температурах.

Для ускоренного испытания на оценку срока службы условия нагрузки СК выбирают таким образом, чтобы в течение периода испытаний происходили отказы из-за износа. Далее строят графики распределения отказов, например, Вейбулла и т.п. Модели износа, полученные с использованием этих распределений, позволяют рассчитать срок службы СК для конкретных условий эксплуатации.

Испытания для оценки динамического срока службы СК при высоких температурах условия нагрузки следует выбирать таким образом, чтобы соответствовать наиболее строгому профилю задачи испытаний и охватывать все варианты применения СК. Условия испытаний для оценки динамического срока службы при высоких температурах следует выбирать не с целью создания нагрузки СК до полного износа, а с условием отсутствия отклонений или отказов СК на периоде испытаний. Например, лучшим условием для испытаний является нагрузка при 80% номинальной мощности (или абсолютном максимальном напряжении) или при 100% от максимального рекомендуемого напряжения (если указано) и максимальной рекомендуемой температуре в течение 1000 ч.

3.2 Технологические ограничения и ограничения на изделия

Технологические СК на основе GaN подходят для ускоренных испытаний на оценку срока службы и получения моделей износа. В случаях, когда другие компоненты составляют основную часть схемы коммутатора, весь коммутатор выбирают в качестве объекта испытаний для проверки того, что соответствующие процессы износа и отказов для всего коммутатора ускоряются для определения срока службы СК.

Испытания для оценки срока службы СК сопряжены с высокими нагрузками. Следует выбирать СК, имеющие только режимы отказов, присущие технологической платформе GaN. Размер кристалла СК должен быть достаточно большим (например, активная площадь более 1 мм), чтобы обеспечить устранение как повышения температуры из-за самонагрева, так и неравномерности переключения.

Технические условия на СК должны содержать основные аспекты компоновки СК, необходимые при проектировании законченных изделий на их базе. Следует указывать либо размеры активной области кристалла GaN, либо , например, 190 мОм, 130 мОм и т.п.

В целях воспроизводства эффектов взаимодействия множества факторов и упаковки при испытаниях для оценки динамического срока службы при высоких температурах СК представляют в виде конечного изделия. Функциональные возможности СК не ограничиваются дискретным устройством GaN, так же могут представлять собой интегрированный модуль с каскодным управлением, интегрированный интеллектуальный ключ на базе GaN.

3.3 Факторы нагрузки и факторы, влияющие на срок службы СК

Для исследования и анализа коммутационных устройств на базе GaN СК определены следующие факторы нагрузки:

- приложенное к СК напряжение , ;