欧陆娱乐-登录网址？ 傲世皇朝招商主管，关键词：自动化测试仪表 可靠性 人机对线 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0000-01

　　科学技术的飞速发展促使社会意识形态发生转变，使得人们对生活的追求更加富有人文主义特色，社会各领域对环境的要求更加严格，对产品的现代化程度要求更高，其中节能减排战略促使新型能源产业风靡全球，带动了全球半导体技术的进一步发展，比如太阳能行业逐渐成为新时期的朝阳产业，该行业中对仪器仪表提出了新的要求。作为现代化仪器仪表的制造商，间接地为现代化科技的发展创造了基础科研平台，通过提供先进的仪表，可以提高用户的生产效率，提升产品质量，监控排放，为低碳经济做出更大的贡献。

　　全球科技创新的日新月异带动了我国制造业的飞速发展，进入新世纪以来，我国半导体行业对自动化仪表的需求明显加强，无论从技术特点还是市场数量上都呈现递增趋势，从技术含量上分析，我国科研、量产中所使用的自动化仪表已经处于世界领先水平。

　　上世纪初，国内仪器仪表稳步发展，主要源于工业半导体行业的需求增加，从技术层面上拉动了整个行业技术水平的提升，尤其在新产品开发上取得了显著成效，比如说拥有自主知识产权的电磁流量计、智能化电动机执行系统等。

　　目前，我国半导体行业使用较多的仪器仪表主要是小型检测单元，比如在集成电路、液晶显示、半导体薄膜、太阳能电池制备等领域的使用较为频繁。自动化仪器仪表的使用往往依赖于半导体设备的发展程度，现阶段该行业中使用较多的是各种薄膜沉积系统、成分检测系统等，涵盖面较广的是PECVD（plasma enhanced chemical vapor deposition）、HWCVD（Hot wire chemical vapor deposition）、MOCVD（metal organic chemical vapor deposition）系统以及相关检测设备等。半导体设备中对压力计、传感器、流量计、温度计等元器件的使用较多，尤其在半导体行业制备薄膜材料的工艺中对以上元器件的要求相对较高。

　　由于半导体技术具有相对较高的精密性，在半导体薄膜的制备工艺中，要求对工艺参数精确控制，反应腔室内部工艺气体的压力大小，成为该行业工艺技术中的核心参数。对工艺气体压力的检测通常采用压力计以及相关的各种真空检测设备。半导体设备的正常运行必须以厂务设施作为保证，包括水、电、气等条件，其中“水”主要用于设备冷却或者恒温加热，因此需要采用压力表对水压、CDA（condensed air）等进行严格控制方可保证工艺正常运行。

　　流量计一般应用在化学沉积系统中，对气体流量起到监测、控制作用。对于半导体工艺来说，产品制备工艺参数是决定器件性能的关键因素，其中化学气相沉积系统中反应气体的流量对最终产品质量起到直接的决定性作用，对气体流量的控制不仅要体现动态时效性，更重要的是要在量的控制上具备较高的精确度，目前国内制备MFC的技术已相对成熟，为我国半导体行业的发展奠定了基础。

　　传感器在现代工业时代的使用极为广泛，半导体设备中对传感器的使用大多体现在设备机械传动部分。在半导体产品制造中，要实现设备的流水线运行，离不开高可靠型的传感器元件，通过传感器协调不同工序、设备不同部位的联动，进而保证整个工艺的流水线）温度计

　　随着科学技术的发展和现代工业技术的进步，测温技术也不断地改进和提高，其中金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的，在半导体紧密制造中通常用来检测液体、气体的温度，测试温度偏中低水平，适合工艺流程中在线、动态、实时监测。

　　半导体工艺中对金属温度及的使用大多是用来检测特殊反应气体的温度，由于普通加热器很难通过热电偶检测衬底温度，通常在反应腔室特殊部门安装金属温度计监测生长基元的温度，从测量精度和实际可操作性上提高了半导体工艺的可行性。

　　自动化测试仪表技术未来发展趋势主要体现在高智能化、高可靠性、高精密度、优良的响应性能等方面，半导体行业仪器仪表技术主要针对具体应用特性而体现出以下几个发展方向：

　　人机对话技术是自动化仪器仪表发展的核心方向，也是未来信息化社会的主流技术，半导体行业对仪器仪表的使用目的是为了便于更好的控制工艺流程，提高对设备的可控性，如果自动化测试仪表具有强大的人机对话特性，能够快速、准确的体现设备运行状态，在半导体制造工业中无疑起到了举足轻重的作用。自动化仪表的人机对话性能是通过设备控制端和仪器之间的对话界面实现，通过人类可以识别的界面端口，读取仪表对设备状态的检测数据，从而对工艺过程起到指导作用。

　　自动化仪表的应用直接依赖于其能否与其他设备形成对话流畅的有机整体，随着人类科学技术的不断进步，半导体行业对自动化仪表的使用需求逐渐增多，不同设备具有不同的逻辑控制系统，如何将自动化测试仪表的接口、通信、软件控制单元和半导体设备逻辑控制语言相融合成为该行业技术发展的瓶颈，如果实现测试仪表在不同半导体设备上的集成标准化，将大幅度提升自动化测试技术的进步。

　　自动化仪表在工业生产中起到“中枢神经”的作用，对其可靠性不容忽视，尤其对于大型复杂的工业系统中，自动化仪器的可靠性关系到整个企业、乃至行业的发展命脉。对于半导体企业检测与过程控制仪表，大部分安装在工艺管道、工序过渡段，甚至多数环境存在有毒、易燃、易爆等特种气体，这些特殊环境对自动化仪表的维护增加了很多困难。因此，在使用特种气体的半导体行业中对自动化检测仪表的可靠性具有较高的要求，尽可能降低其维修频率，为工业安全生产提供必要保证。

　　当今世界已经进入信息时代，自动化技术成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键因素，其中自动化测试仪表作为科研、工业化生产的基础硬件设施而不断发展成熟，在半导体行业中的应用逐渐广泛深入。随着行业科研水平的提高，对自动化仪器仪表有了更好的要求，可靠性、集成技术、智能对话特性成为自动化测试技术发展的首要任务，对自动化测试技术以及测试仪表的使用起到举足轻重的作用。

　　[1] 赵群，张翔，谢素珍，李辉.自动化仪表与控制系统的现状与发展趋势综述. 现代制造技术与装备. 2008， 185 （04）.

　　伴随着电气自动化的提高，控制设备的可靠性问题就变得非常突出。控制设备的可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分。在20世纪70年代，我国就建立了电子产品的可靠性与环境试验研究所，开始了可靠性增长的研究工作。1984年组建了全国统一的电子产品可靠性信息交换网，并颁布了GJB299-87《电子设备可靠性预计手册》，有力地推动了我国电子产品可靠性工作。

　　电气自动化就是使产品的操作、控制和监视，能够在无人(或少人)直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。随着机械电子技术、微电子技术迅猛发展，电气自动化控制在国民经济的各个行业都得到了广泛的应用，大大方便了人们的生活。电气自动化程度是一个国家电子行业发展水平的重要标志，同时，自动化技术又是经济运行必不可少的技术手段。电气自动化具有提高工作的可靠性、提高运行的经济性、保证电能质量、提高劳动生产率、改善劳动条件等作用。

　　产品质量就是使产品能够实现其价值、满足明示要求的特征和特质。概括其特性，主要包括：性能、可靠性、经济性和安全性。由此可见，可靠性在产品质量中占有主导地位。只有可靠性高，发生故障的次数才会少，那么维修费用就少，相应的安全性也随之提高。因此，产品的可靠性是产品质量的核心，是生产厂家追求的目标。

　　随着国家经济的高速发展，用户不仅要求产品性能好，更重要的是要求产品的可靠性水平高。研究发现，只有那些具有高可靠性指标的产品，才能在日益激烈的竞争中得以取胜。随着电气自动化控制设备自动化程度、复杂度越来越高，可靠性技术已成为企业在竞争中获取市场份额的有力工具。

　　电气设备所处的工作环境多种多样。气候条件、机械作用力和电磁干扰是影响控制设备可靠性的主要因素。

　　(1)气候条件主要包括温度、湿度、气压、盐雾、大气污染等因素，对控制设备的影响主要表现在使电气性能下降、温升过高、运动不灵活、结构损坏，甚至不能正常工作。

　　(2)机械条件是指电气设备在不同的运载工具中使用时所受到的振动、冲击、离心加速度等机械作用，使得控制设备元器件损坏失效或电参数改变，结构件断裂或变形过大以及金属件的疲劳破坏等。

　　(3)控制设备工作的周围空间充满了由于各种原因所产生的电磁波，造成外部及内部干扰。由于电磁干扰的存在，使设备输出噪声增大，工作不稳定，甚至不能安全工作。同时，操作人员在没有完全掌握控制设备原理的基础上进行操作，导致对控制设备不能熟练而正确的操作，并且不能对设备进行及时的维护和保养，都会导致控制设备可靠性指标低。

　　目前元器件生产厂家众多，参差不齐。如果控制设备的使用企业规模较小，质量管理体系不健全，导致零部件进厂检查出现漏洞；同时，元器件厂家间的恶性竞争，导致产品价格低廉，迫使企业不顾及元件质量进行采购，这些都会导致控制设备可靠性指标偏低，并且降低了使用寿命。

　　要提高电气自动化控制设备的可靠性，必须根据控制设备的特点，采用相应的可靠性设计方法，从元器件的正确选择与使用、散热防护、气候防护等入手，使系统可靠性指标大大提高。

　　(1)在控制设备设计阶段，研究产品与零部件技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，正确制定设计方案；其次，根据产量设定产品结构形式和产品类型。因为产量的大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同；同时，运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方法设计零部件：在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以求降低产品的生产成本；全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操作维修性能和使用性能，以降低设备的维修费用和使用费用。

　　(2)从生产角度来说，设备中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能少，尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品。立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料；设备(含零部件)的加工精度要与技术条件要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，便于自动流水生产。

　　(3)电子元器件的选用准则。根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件，元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足设备工作和环境的要求，并留有足够的余量；优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不选用淘汰和禁用的元器件；应最大限度地压缩元器件的品种规格，减少生产厂家，提高它们的复用率；除特殊情况外，所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后，才能用到产品中；优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定；仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间的差异，择优选择。要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据，作为以后选用的依据。

　　(4)控制设备的散热防护。温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素。电子设备工作时，其功率损失一般都以热能形式散发出来，尤其是一些耗散功率较大的元器件，如电子管、变压管、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，当环境温度较高时，设备工作时产生的热能难以散发出去，将使设备温度升高。

　　例如，半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大和信号失真，严重时会引起热击穿。因此，通常半导体器件的温度不能过高，如锗管不超过70～100℃；硅管不超过150~200℃。表1列出了常用元器件的允许温度。

　　因此对于半导体分立器件散热需要考虑：对于功率小于100mW的晶体管，一般不用散热器；大功率半导体分立器件应装在散热器上；散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。散热器上有多个肋片时，应选用肋片间距大的散热器；半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小，应尽量增大接触面积，接触面保持光洁，必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片，借助于合适的紧固措施保证紧密接触；散热器要进行表面处理，使其粗糙度适当并使表面呈黑色，以增强辐射换热；对于热敏感的半导体分立器件，安装时应远离耗散功率大的元器件。

　　(5)电子设备的气候防护。潮湿、盐雾、霉菌以及气压、污染气体对电子设备影响很大，其中潮湿的影响是最主要的。特别是在低温高湿条件下，空气湿度达到饱和时会使机内元器件、印制电路板上产色和凝露现象，使电性能下降，故障上升。

　　当电子设备受到潮湿空气的侵蚀，会在元器件或材料表面凝聚一层水膜，并渗透到材料内部，从而造成绝缘材料表面电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，零部件电气短路、漏电或击穿等。潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落，使其失去保护作用。通常采用浸渍、灌封、密封等措施。

　　本文对电气自动化在论述可靠性研究的重要意义的基础上，对当前存在的可靠性现状进行了深入分析，并且提出相应的建议，希望能够为提高我国电气自动化控制设备的竞争力有所裨益。

　　电气自动化技术在各个行业和领域当中都得到广泛的使用，极大的提高了工作效率，降低了人力成本，因此对于控制设备的可靠性要求十分高。一旦电气自动化控制设备的可靠性出现问题，那么将会给生产造成巨大的损失。因此，做好电气自动化控制设备的可靠性分析是一个十分重要的课题。

　　对于电气自动化控制设备来说，其质量的高底，在很大程度上受到可靠性的影响，或者说可靠性是衡量电气自动化设备质量的一个十分重要的指标。对于电气自动化控制设备来说，具有较高的可靠性就意味着在实际的运行和使用过程当中能够，尽可能的减少故障发生的概率，能够有效的防治故障给生产带来的影响，节约维修资金。因此电气自动化控制设备的可靠性是其质量的核心所在。

　　对于电气自动化控制设备来说，具有良好的可靠性，能够保证运行过程当中尽可能减少故障发生的概率，因此能够有效的提高自身的市场竞争力，吸引大量的客户，在激烈的市场竞争当中不断的发展壮大。当前随着电气自动化控制技术的不断发展，相关控制设备的结构复杂性越来越高，功能也越来越强大，因此对于设备的可靠性的要求也越来越高，只有具有高度可靠性的产品才能够获得良好的发展。

　　由于电气自动化控制设备被广泛应用于各个行业，因此其面临着十分复杂的工作环境。很多设备工作环境比较恶劣，环境因素成为影响设备可靠性的一个十分重要的因素。

　　2.1.1 气候条件。控制设备工作的场所的温度、空气湿度以及空气中的污染物都回影响设备的可靠性，加速设备当中一些比较敏感的电子元件的老化和损坏，导致性能降低、动作不准等，甚至发生严重的故障。

　　2.1.2 机械条件。在很多需要移动或者是震动较大的机械当中也需要使用电气自动化控制设备，这些机械在运动过程当中产生的震动、冲击等有可能造成设备元件损坏，长期下来还会导致金属产生疲劳，从而导致设备可靠性大大降低。

　　2.1.3 电气自动化控制设备当中存在大量结构比较精细的电子元件，这些电子元件对于干扰十分敏感。如果设备工作环境中存在大功率用电器，产生的电磁波有可能对设备造成干扰，导致设备控制精度下降，工作状态不稳定，甚至发生故障。还有一些操作人员本身并不具备专业的操作技能，在操作过程当中没有严格按照相应的规章制度来进行，从而导致设备运行参数错误，对相关的设备缺乏必要的保养，都会导致设备工作性能下降，导致可靠性降低。

　　电气自动化控制设备当中存在大量的精密的电子元件，这些电子元件质量的好坏和精度的高低对于电气设备的可靠性具有直接的影响。很多控制设备生产企业在采购的过程当中没有进行严格的把关，使用了一些达不到标准的劣质电子元件，再加上没有建立完善的质量控制体系，导致控制设备中使用的电子元件达不到相应的技术标准，从而严重的影响了设备的可靠性。

　　要提高电气自动化控制设备的可靠性，必须根据控制设备的特点，采用相应的可靠性设计方法，从元器件的正确选择与使用、散热防护、气候防护等入手，使系统可靠性指标大大提高。

　　2.3.1 在控制设备设计阶段，研究产品与零部件技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，正确制定设计方案；其次，根据产量设定产品结构形式和产品类型。因为产量的大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同；同时，运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方法设计零部件；在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以求降低产品的生产成本；全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操作维修性能和使用性能，以降低设备的维修费用和使用费用。

　　2.3.2 从生产角度来说，设备中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能少，尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品。立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料；设备（含零部件）的加工精度要与技术条件要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，便于自动流水生产。

　　2.3.3 电子元器件的选用准则。根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件，元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足设备工作和环境的要求，并留有足够的余量；优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不选用淘汰和禁用的元器件；应最大限度地压缩元器件的品种规格，减少生产厂家，提高它们的复用率；除特殊情况外，所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后，才能用到产品中；优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定；仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间的差异，择优选择。要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据，作为以后选用的依据。

　　2.3.4 控制设备的散热防护。温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素。电子设备工作时，其功率损失一般都以热能形式散发出来，尤其是一些耗散功率较大的元器件，如电子管、变压管、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，当环境温度较高时，设备工作时产生的热能难以散发出去，将使设备温度升高。例如，半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大和信号失真，严重时会引起热击穿。因此，通常半导体器件的温度不能过高，如锗管不超过70℃～100℃；硅管不超过150℃～200℃。因此对于半导体分立器件散热需要考虑：对于功率小于100mW的晶体管，一般不用散热器；大功率半导体分立器件应装在散热器上；散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。散热器上有多个肋片时，应选用肋片间距大的散热器；半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小，应尽量增大接触面积，接触面保持光洁，必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片，借助于合适的紧固措施保证紧密接触；散热器要进行表面处理，使其粗糙度适当并使表面呈黑色，以增强辐射换热；对于热敏感的半导体分立器件，安装时应远离耗散功率大的元器件。

　　从上面可以看出来，电气自动化控制设备的可靠性在很大程度上受到很多不同因素的影响。任何一个环节出现问题都有可能造成电气设备可靠性的降低。因此，在电气自动化设备的使用过程当中，一定要做好相应的维护工作，采取相应的技术措施和管理手段，保证控制设备的工作性能，确保设备的可靠性。

　　[1]于士国.电气自动化控制设备可靠性测试的方法分析[J].硅谷，2011，(11).

　　[2]武芳军.电气自动化控制设备的可靠性测试与研究[J].民营科技，2011，(06).

　　[3]聂焕玲.电气自动化控制设备的可靠性测试[J].陕西煤炭，2009，(03).

　　变流器可以实现功率传输的动态调节和多种电流制的转换，从而最优化工作任务的功率匹配。对于铁路的机车来说，这就意味着其牵引技术指标的大幅度提高。

　　对于控制电子设备和功率电子设备来讲，在任意极限运动的情况下稳定地调节大牵引力。因此机车在最大负载的情况下，也能够实现牵引。为了使近郊机车无冲击，可采用较高的起动加速度和制动减速度，并且机车运行时间短而舒适。电流变换时损耗较小可以实现节能优化，同样地当采用具有能量反馈的再生制动系统时候，也可以轻松的实现节能优化。对于近郊机车，为了实现电流变换，一般采用直流电流调节器和交流传动。与机电部件相比较，电子装置静止和无磨损的工作方式可大大减少维修费用，没必要进行磨损部件的预防维修，并且提高工作效率。

　　电子器件可靠性高，这就意味着其故障率很低。故障率即为工作每小时的故障数。例如晶体管的基本故障率为5×10-8次/小时，其倒数为故障间隔的平均时间（MTBF），约为4000年。单个电子器件的可靠性非常高，而电位器和继电器由于有机械运动件存在，所以其可靠性低。与采用单个工作电路可靠性相比，采用集成电路（IC）可靠性得到了提高。由大量元件和连线组成的大规模的电路可以由一块集成电路代替。而在集成电路中，数字集成电路的可靠性更好。随着集成电路功能不断的强化，其故障率也仅略为增加。因此，在机车中采用集成化电路可以大大提高其工作可靠性，降低故障率。

　　每种元器件都有其固定的故障率及MTBF时间。由于负载、壁垒层温度和工作方法及使用的环境条件等对元器件可靠性影响很大，所以这些数值的变化范围很广。一个系统的故障率，不能按其组成部件的故障率简单地相加或相乘而求得。在实际工作中，采用冗余技术可显著提高机车工作可靠性，这是因为机车同时发生很多故障的情况极少，这样系统的功能可以全部或部分得到保持而不受到破坏。因此，冗余电子系统大的实用价值很高，所以在机车车辆上运用十分普遍。

　　考察机车故障率可以得知，改善机车车辆运行的不利环境条件和减少元器件数量是研制机车车辆电子设备的两种大趋势。

　　采用大功率半导体元件是变流器功率器件的发展趋势，并且尽量减少可控硅元件的数量。对于近郊机车，这个目标已基本达到。机车每个功能仅采用一个元件来控制实现。在功率范围为1000千瓦以下时，没有必要串联或并联可控硅元件。对于地铁和动车，是通过交流传动的，各有一个可控硅元件和二极管安置在相序逆变器的臂上，所以总共有六个二极管和六个可控硅元件。

　　对于大功率机车，必须增加半导体元件数。当大功率机车功率超过1000千瓦时，必须将可控硅元件和二级管串联或并联，或者在某些情况下，必须在一台机车上设置多个变流器系统，从而提高大功率机车元件的使用率，并将半导体元件的数目控制在较小的范围内，采用相应的结构，组成对环境影响不敏感和无需维护的变流器。在空气冷却方面，将冷却空气导入仅放置有散热器的风筒内皆可以实现上述目标。可控硅元件安装于散热器之间冷却气流之外，目的是为了防止灰尘积聚附加有塑料环。采用这种结构的变流器不需要维护，适当的配制散热器和通风设备，可以使半导体元件具有良好的散热效率。

　　采用油冷却可以使变流器结构紧凑，从而更好地将集中在可控硅元件内部的热量排出。因此，每个半导体元件的功率都可以单独增大。为了排除热量，必需采用一个没有中冷器的循环油路。

　　机车的蒸发冷却可以利用流体的汽化热，流体蒸发时吸热，冷却时又将放热。正因为这样，热量可由半导体元件的散热器传送至中冷器而不存在温度梯度。机车上半导体元壁垒层至环境空气的温度路可用于传送少许热量；而热阻减小又使得从可控硅元件排出的热里增加。因此，即使是大功率可控硅元件，其散热效率也很高，每个半导体元件都能传送最大的功率。

　　随着机车车辆上变流器功能的多样化，其负荷效率已接近容许负荷的极限。因此，要求其具有更完善的监控和控制功能。此外，从实际使用情况出发，对机车控制装置的信息传递和处理也提出了更高的要求。虽然模拟调节装置的集成运算放大器和数字控制装置的集成电路的功能范围均较宽，但依然令整个电子集成装置的体积达到了极限。电流型三相逆变装置的传动调节部分仅有两层，并装有LUB电网侧整流器和相序逆变器。根据机车和变流器的调节和控制功能来专门研制印刷电路板，可减少其相应的投资。这样，机车电子装置就满足了技术经济指标的高要求。

　　通过采用微型计算机，控制装置可以得到进一步的发展。它可以进行简单的逻辑和算术运算，几乎可以满足所有必需的调节、控制功能的计算需要。

　　专门应用于机车上的微型计算机系统已由某电气制造商研制成功。它将具有数据处理功能的计算机、数据和程序的储存器以及将计算机与机车相连接的模拟量与数字量的接口集成为一个整体。它可以在计算机系统上依次实现所有的控制功能，并且具有处理速度快、功能多等优点。因此可利用其基本部件，实现减小复杂控制装置电子设备的目的，处理大量的控制信号，如交流传动机车的控制装置。

　　通过提高微型计算机部件的可靠性，或者减少部件的数量，可以改善微型计算机控制系统的使用可靠性。由于设置有足够多的监控以及故障检测系统，使得发生故障情况时的中断时间很短。甚至可以用其检测瞬时故障，帮助分析和查找偶然故障出现的原因。

　　大量的控制功能可以集成到电子装置上。因此，需要有功能强大的信息传输装置将这些电子装置相联接。微型计算机的总线系统和串行数据处理过程可采用多路数据传输装置。此方法与集中式机车可逆控制装置相集成（接于机车的UIC电缆上），已应用于鲁尔市内的铁路上。由于机车和动车上的功率电子装置和控制电子装置的电缆线紧密排列，会产生互相干扰的现象。且由于光导纤维可传输大量信息而没有电位，也不存在电磁兼容性的问题。若在机车上采用光导纤维可提高装置的可靠性。

　　电磁干扰现象在机车上是普遍存在的，其可以造成受干扰设备的功能降低甚至丧失，甚至造成设备的部件或软件不可恢复性的损坏。因此，应根据电磁兼容的原理，在进行电子装置的结构设计时，采用有效的屏蔽方法来避免电子设备由于电磁干扰造成的部件损坏或数据丢失。

　　电磁干扰是以“场”的方式沿空间进行传播的。因此，可以通过提高电子装置机箱对周围电磁场的反射损耗，降低吸收损耗，来减弱或消除电磁干扰对系统内设备的干扰。为了实现电磁兼容，采取的屏蔽措施按照屏蔽级别的不同进行分级，包括有PCB板屏蔽、插箱/子架屏蔽、机柜屏蔽、元器件屏蔽、模块屏蔽等。下面对模块屏蔽、插箱/子架屏蔽和机柜屏蔽进行简要的说明。

　　模块屏蔽是指将某些辐射大或抗干扰能力差的模块或单板，在屏蔽盒中单独安装。通常情况下，电抗器、变压器等可通过在绕组线圈和铁芯环路外包一层或多层金属短路来减少漏磁通量；电源板、IGBT等功率模块可用金属网罩进行屏蔽。

　　机柜屏蔽是通过金属壳体将整个系统屏蔽起来，利用金属外壳对电磁场干扰的吸收和反射损耗，来切断机箱内干扰信号的传播。

　　相对于机柜屏蔽，插箱/子架屏蔽方法的最大优点是可以在出线的接插件上面采取屏蔽措施，如SS7E型机车的逆变电源采用插箱把逆变、整流部分和控制部分隔离开来，通过屏蔽转接插座控制部分、电磁兼容连接器、电缆与功率模块之间的信号传输，从而避免相互干扰。插箱/子架屏蔽与模块屏蔽类似，只是屏蔽体为插箱/子架。

　　随着电子器件的发展，不断将功率电子设备和控制电子设备应用到铁路机车上，使其电气设备达到了很高的水平。由于机车车辆的特殊性，实现这种可能性及经济性的前提是工业与运输部门在设计、试验过程中的不断努力。

　　[1]冯晓芳.中国高速铁路的发展与展望[J].科技资讯，2009（1）：129-130.

　　半导体器件失效通常是指性能正常的器件，经过一定的使用或可靠性应力试验后，其电参数或物理性能不再符合原设计制造规定的要求。理论上讲，半导体器件寿命很长，但由于各种原因，使一些半导体器件早期失效。半导体器件的可靠性，不仅取决于器件本身固有的可靠性因素，而且取决于用户电路的设计、装配、操作、环境等，在测试筛选和老炼环节，也有很多因素对器件的可靠性造成影响，为了预防器件失效，采取必要的预防措施也至关重要。

　　分立器件的主要失效模式包括电参数漂移、短路、开路、间歇性失效四种，在测试当中，最为常见的失效模式为电参数漂移，即参数超差，主要表现有击穿电压下降、漏电流增大、饱和压降增大、直流放大倍数退化、沟道漏电、表面漏电、欧姆接触退化等。

　　引起分立器件失效的主要原因有两类，一种是由于器件本身存在导致失效的缺陷，另一种是由于使用不当而造成的器件失效。其中第一类原因包括：表面沾污、材料缺陷、管壳质量差、封焊不良、工艺过程中静电损伤、金属化电迁移、氧化层缺陷、金属化不良、表面划伤等；第二类原因包括：电路设计不当造成的过流、过压、过功率现象，机械应力导致的器件损伤、脱落、开裂等，焊接温度过高、时间过长引起的失效，防静电措施不到位引起的静电损伤，人员缺乏足够了解器件而超应力使用等。

　　微电子器件的测试筛选是对其质量控制的一个重要环节，涉及到测试标准、测试原理、以及具体的实现方法，并充分考虑测试的真实性、准确性，对于在测试过程中表现出的失效现象进行分析是非常必要的，失效的原因是复杂和多样的，如何确保器件在测试筛选过程中不会因为该环节的某些因素而导致失效，对此，我们提出以下预防措施：

　　（1）器件应在规定的环境条件下测试，GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》规定电测试环境温度要求：（20～28）℃，其他试验环境温度要求：（15～35）℃，环境气压（86～106）KPa；GJB360B-2009《电子及电气元件试验方法》规定试验环境温度要求：（15～35）℃，相对湿度20%～80%，环境气压（86～106）KPa，另外，不同器件的资料手册上详细规定的测试条件，在测试时，确保环境达到器件资料和标准规定的要求，另外，对于一些特殊参数，在测试时需要注意其要求的特殊条件，如暗电流，是指光电二极管在无光照条件下的反向电流，该电流受光照影响大，在测试时应采取措施使测试环境中无光照。

　　（2）器件不应承受会产生器件最大额定的工作条件，避免引线误接、反接、短路，在测试前，仔细阅读资料明确器件管脚，确保对应管脚连接正确，在参数设置时，注意参数的测试顺序，将可能产生大电流或高电压的参数排在后面并设置测试失效退出模式。

　　（3）防止因仪器设备开启和关断时产生的浪涌电流加在器件上，在仪器开关电源时，确保适配器测试工位上没有器件。

　　（4）用四线开尔文法消除附加电阻和附加压降，对于一些低电阻或大电流回路中的微小电压变化，都需要采用四线开尔文法确保排除测试接线上的电阻和压降对测试带来的误差。

　　（5）测试截止电流小的器件时，要注意采取措施保证测试夹具与测试仪器连接电路的寄生电流或外部漏电流远小于被测器件的截止电流。

　　（6）在测试过程中严格执行防静电措施，定期测试防静电手环等防静电措施是否符合标准要求，确保器件不受到静电的损伤。

　　（7）对器件进行功率老化时注意电流电压要缓慢加减，不允许在带电条件下插拔器件。对于高频器件，尤其是在同一个老化板上多只器件相互影响，更容易产生自激和振荡，试验台和老化板要有防振荡措施，以避免由于振荡产生大的浪涌电流或电压造成器件瞬时过功率烧毁。

　　（8）在电测试和其他试验中，保持规范操作，避免由于插拔或者转接器件时造成器件的机械损伤，或者管脚断裂。

　　（9）在测试中有的产品手册编写的不够规范和详细，在遇到判据不足的情况下，及时与客户沟通确认判据，例如很多产品手册只提供了25℃的参数判据，并没有提供高低温条件下的判据，而漏电流，传输比等参数受温度影响较大，并不能依据常温判据判定。

　　[1]孔学东，恩云飞.电子元器件失效分析与典型案例[M].北京：国防工业出版社，2006.

　　[2]吉田弘之.电子元器件的故障原因及其对策[M].北京：中国标准出版社，2004.

　　齐增亮（1981-），男，陕西省富平县人。硕士研究生学历。现为陕西省电子信息产品监督检验院工程师，从事电子产品检测工作。

　　近年来受到能源、环境、经济和政治等因素的因素，我国电力系统正在进行一场深刻的变革，如何构建可靠、安全、环保和灵活的电力系统已经成为研究热点。为了解决这一难题，我国开始大力推进智能电网的研究和发展，此时研究电力电子技术在智能电网中的应用，对于不断完善目前的电网功能并逐步向智能电网趋近，有着十分重要的现实意义。

　　功率半导体器件又称为电力电子器件，是用于电能变换和电能控制电路中的大功率电子器件，可分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件。其中，半控型器件的晶闸管为半控器件，承受电压和电流容量在所有器件中是最高的；全控型器件又可分为电流驱动型器件和电压驱动型器件；不可控型器件的电力二极管为不可控器件，其工作原理和结构都比较简单，可靠性较高。

　　作为利用功率半导体器件来变换和控制工业电能的大功率电子电路，电力电子电路的控制对象是工业电能，旨在最大限度的降低能量损耗。功率半导器件的工作需要处于开关状态来降低电路内耗，故电力电子电力实质上是一种大功率的开关电路，利用微弱信号来对电能进行控制。

　　以功率半导体器件为核心，电力电子变换器的主电路采用不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的变换和控制。变换器主电路拓扑结构实质就是将有源和无源功率半导体器件按照一定规律排列而成的电路，拓扑优化就是在变换器的设计中，通过合理选择和确定网络中各元件的位置，来实现高频化、高频率、高功率因数和低变换损耗。

　　智能电网的优势体现在以下方面：向用户提供实时的电价信息，利用多种方案的定时定价政策来引导用户形成良好的用电习惯，确保电价的优化运行；兼容所有的发电和储能方式，极大地提高了对可再生能源的利用效率；促进电力市场交易主体向多元化方向发展，从而促进电能产品的多元化和服务水平的提高；能够及时对故障进行查找和检修，提高对自然灾害和突然袭击的反应能力；提高电能质量，可以让用户对多种质量/价格方式进行选择；使用先进的控制、信息和测量技术，能够优化资产并降低线 电力电子技术在智能电网中的应用

　　在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。交流电在输电线路的送端经换流变压器送到整流器，将其变为高压直流电后送上直流输电线路，直流电通过输电线路送到受端换流站的逆变器，将高压直流电又转变回交流电，在经过环流变压器将电能输送到交流系统。

　　高压直流输电技术对于远距离输电具有独特的优势，发生故障时对电网产生的影响较小，因此特别适合用于长距离点对点的大功率输电。将高压直流输电技术应用于智能电网，能够满足智能电网远距离和大容量输电的要求，并且有助于解决清洁能源上网稳定性问题。

　　柔流输电技术是实现新能源和清洁能源大规模并网的关键性技术，其综合了现代微电子技术、电力电子技术、控制技术和通信技术，实现对交流输电的灵活快速控制，能够极大地提高电力系统的可靠性和反应速度，提高电网的输送能力。

　　我国的智能电网以特高压输电为基础，因此需要对新能源和清洁能源的隔离和接入进行综合考虑，这使得柔流输电技术近年来受到了越来越多的关注和重视。通过将现代控制技术和柔流输电技术相融合，智能电网能联系调节控制各种电力系统参数，极大地降低线损，确保安全和稳定的输送电能。

　　智能开关技术是在电流或电压的指定相位断开或闭合电路。智能开关包括壳体、总电源开关和多个分开关，其中总电源开关具有过压和总过流保护作用，多个分开关为整体结合式，具有过流和防触漏电保护功能，能够充分保证用电的安全和可靠，保护家用电器及用电仪器和设备不受损坏。随着智能电网建设的推进，高品质和高性能开关设备也随着信息传感技术、计算机技术和微电子技术等的发展日益智能化。

　　高压变频技术最大的优势就是节电率一般可达到30%，缺陷是成本较高且容易产生高次谐波污染，将其应用于电力系统，节能效果特别明显，是工业用户实现节能减排的主要手段。国内高压变频器生产厂商多采用功率单元串联多电平技术，其他一些结构形式的高压变频器也在发展之中，如混合结构技术和中压三电平技术，它们具有工艺密度高、结构紧凑、控制灵活和四象限运行的优势，是未来高压变频技术的发展方向。

　　需求侧技术又称为用户电力技术，是指以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，将大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，为用户提供其特定要求的电力供应技术。

　　近年来电力负荷与日俱增，电力行业必须在满足经济和社会对大量能源需求的基础上，满足越来越高的环保要求。需求侧技术和大功率电力电子技术，能源确保清洁能源并网和解决故障限流保护问题，为解决上述问题提供了新的思路和方法。

　　智能电网的建设有着积极的经济效益和社会效益，有助于对环境和资源的保护，有助于我国可持续发展战略的实施，然而目前我国智能电力建设的过程中仍然存在不少问题，这就需要我们对电力电子技术和信息管理技术等进行深入探讨，确保智能电网建设的顺利开展。

　　[1]常泳.智能电网涉及的关键技术分析[J].价值工程，2010，29（9）.

　　[2]肖世杰.构建中国智能电网技术的思考[J].电力系统自动化，2009，33（9）.

　　在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波形及极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元(器)件。简单地说，微波元件就是工作在微波频段的电磁元件。

　　在低频电子线路中，常用的无源元件很多，最常用到的是电阻、电容、电感、变压器等。同样，在微波电路中也广泛地使用电阻、电容、电感等无源元件。但是，由于频率的增高，低频电路中常用的这些元件已经不能运用于微波频段，而通过微波技术的研究与发展，如使用分布参数电路，利用传输线的不均匀性等办法即可实现微波频段的电感与电容。此外，构成一个具有一定功能的微波电路，还离不开诸如定向耦合器、功分器、阻抗匹配器、微波滤波器、衰减器、终端负载等几十种无源微波元件；此外，与低频电子线路一样，微波电子线路也包含有各种形式的微波有源器件，如放大器、混频器、微波开关、振荡器等。它们的各种组合能够完成对微波信号的一系列处理。

　　如果将微波元件按其工作原理和所用材料、工艺分类，又可分为微波电真空器件、微波半导体器件、微波集成电路和微波功率模块。微波电真空器件包括速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等，利用电子在真空中运动及与电路相互作用产生振荡、放大、混频等各种功能。微波半导体器件包括微波晶体管和微波二极管，具有体积小、重量轻、耗电省等优点，但在高频、大功率情况下，不能完全取代电真空器件。微波集成电路是将具有微波功能的电路用半导体工艺制作在砷化镓或其他半导体材料芯片上，形成功能块，在固态相控阵雷达、电子对抗设备、导弹电子设备、微波通信系统和超高速计算机中，有着广阔的应用前景。微波功率模块是通过采用固态功率合成技术，将多个固态微波功率器件组合形成的器件，具有效率高、使用方便等优点，对雷达、通信、电子对抗等电子装备实现全固态化有重要意义。

　　在实际微波系统中，各种形式的有源元件用于微波的产生、放大、倍频、变频等关键问题，微波固体电子学的发展成为这些有源元件发展的主要动力，在过去的几十年里，各种形式的微波半导体器件不断出现，推动了微波技术的发展。

　　20世纪50年代，出现了微波二极管，其工作频率可达100GHz，但工作效率较低。进入60年代后，微波半导体器件以硅双极微波晶体管为主，至今仍是微波低端半导体功率器件的一种选择。70年代中期，相关的研究转入电子迁移率更高的GaAs MOSFET器件，并形成了微波单片集成电路的集成化进步，同时进入到毫米波低端。80年代初，分子束外延(MBE)和金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)等先进技术的发展，使得人们可以在原子尺度上发展半导体材料，超晶格和异质结由理论设想转化为实际物理结构，新型材料和新型器件层出不穷，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、晶格HEMT(PHEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。从90年代开始，微波半导体器件呈现出两大趋势：一是硅基的集成电路由于工艺的发展形成了射频互补金属氧化物半导体器件(RF CMOS)和射频微机械电子系统(RF MEMS)的新的研究和应用，比如恩智浦半导体的BFU725F微波NPN晶体管，即采用的用于分立器件的硅锗碳(SiGeC)工艺技术，具有高开关频率、高增益和超低噪声等多重特点，另外是化合物半导体由于新材料的发展，形成了宽禁带半导体和窄禁带半导体器件的研究。现阶段，八、九十年展起来的微波半导体器件仍然是现如今的主要发展方向。

　　前不久，佐治亚理工大学的研究者采用碳60薄膜利用常温工艺成功制造出高性能场效应晶体管，在常温工艺下即可达2.7～5cm2／V／s的电子迁移率(见图1)。相信研发人员在利用有机材料制作晶体管的同时，会尝试利用新材料的形成来增加电子移动率的途径，以便得到更有效的微波半导体器件。

　　微波电路开始于40年代应用的立体微波电路，它是由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管组成的。随着微波固态器件的发展以及分布型传输线年代初，出现了平面微波电路，它是由微带元件、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波元件利用扩散、外延、沉积、蚀刻等制造技术，制作在一块半导体基片上的微波混合集成电路，即HMIC，属于第二代微波电路。与以波导和同轴线等组成的第一代微波电路相比较，它具有体积小、重量轻等优点，避免了复杂的机械加工，而且易与波导器件、铁氧体器件连接，可以适应当时迅速发展起来的小型微波固体器件。又由于其性能好、可靠性强、使用方便等优点，因此被用于各种微波整机，并且在提高军用电子系统的性能和小型化方面起了显著的作用，至今仍是一种灵活有效的电路形式。

　　70年代，GaAs材料制造工艺的成熟，对微波半导体技术的发展有着极为重要的影响。GaAs材料的电子迁移率比Si高七倍，而且漂移速度也比Si高得多，这种高频高速性能是由其材料特性决定的。又由于GaAs材料的半绝缘性(其电阻率可达105Ω／cm)可以不需要采用特殊的隔离技术而将平面传输线、所有无源元件和有源元件集成在同一块芯片上，更进一步地减小了微波电路的体积。

　　正是由于GaAs技术的问世与GaAs材料的特性而促成了由微波集成电路向单片微波集成电路(MMIC)的过渡。与第二代的微波混合电路HMIC相比较，MMIC的体积更小、寿命更长、可靠性高、噪声低、功耗小、工作的极限频率更高等优点，因此，受到广泛的重视。尽管如此，Si和GaAs一直是个激烈讨论的题目。两个主要的技术分歧点是微波晶体管的性能和半导体用作无源元件半绝缘基片时的损耗。如上文所述，GaAs的电子迁移率和漂移速度也比Si高得多，这使得GaAs在低耗无源电路的应用方面有很好的特性，但是在热导率方面，Si却远远超出GaAs。这些因素导致许多公司在过去的几年中大量投资于GaAs技术作为微波应用。然而，Si依然

　　是个强有力的竞争对手。实际上，随着微波无线产品巨大市场的出现，Si MMIC的发展得以强劲复苏。si和GaAs的争夺前沿是潜在商机十分可观的6GHz以下区域。较高频率应用中也已开始出现Si基微波IC，如Ku波段的DBS的卫星接收机之类。Si异质结双级晶体管技术正在为Si技术在更高频率的应用铺平道路。

　　目前，单片微波集成电路已经使用于各种微波系统中。在这些微波系统中的MMIC器件包括：MMIC功放、低噪声放大器(LNA)、混频器、上变频器、压控振荡器(VCO)、滤波器等直至MMIC前端和整个收发系统。单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的前景。由MMIC器件所组成的微波系统，已广泛应用于空间电子、雷达、卫星、公路交通、民航系统、电子对抗、通信系统等多种尖端科技中。表1列出了一些主流厂商最新MMIC产品，以供参考。

　　随着MMIC技术的进一步提高和多层集成电路工艺的进步，利用多层基片内实现几乎所有的无源器件和芯片互联网络的三维多层微波结构受到越来越多的重视。而且建立在多层互连基片上的MCM(Multi-Chip Module)技术将使微波／毫米波系统的尺寸变得更小。

　　此外随着人们对微电子机械系统(MEMS)技术的研究，利用MEMS技术可以使无线通信设备中的外接分立元件达到微型化，低功耗及可携带性的要求。MEMS采用深刻蚀技术，实现宏观机械上的三维结构，使以前的无源器件的小型化成为可能，同时将版图面积大幅度下降，另外更加容易集成，MEMS的器件主要是以Si作为加工材料，这就使它相对传统的利用MMIC技术制作的器件的成本大幅度下降。MEMS的这些特点也就决定了它向微小型化、多样性和微电子技术方向不断发展。因此，根据MEMS和MMIC技术特点，制成一种结合两种技术优点的器件或电路成为一种趋势。

　　随着市场需求以及科技的不断进步，新型微波元件正向微型化、片式化、高性能化、集成化、智能化、环保节能方向发展。微小型和片式化技术、无源集成技术、抗电磁干扰技术、低温共烧陶瓷技术、绿色化生产技术等已成为行业技术进步的重点。微电子机械系统(MEMS)和微组装技术的高速发展，也将促进微波元件功能和性能的大幅提升。

　　降额设计是为了提升电子设备的可靠性而采用的一种设计方法，主要是指构成电子设备的元器件使用中承受的应力（主要指电应力和温度应力）低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。

　　在降额设计中，“降”的越多，要选用的元器件的性能就越好，成本也就越高，所以在降额设计中要综合考虑。为此国家制订了“降额”通用准则。但并不是所有的电子产品都可以“降额”，在实际设计过程中，应该注意如下方面：

　　（1）不应当将标准所推荐的降额量值绝对化，应当根据产品的特殊性适当调整；

　　（3）一般来说，对于电子元器件，其应用应力越降低越能提高其使用可靠性，但也不完全是这样。

　　（4）对元器件进行降额设计时，不能将承受的各种应力孤立看待，应当进行综合权衡。

　　（5）不能用降额补偿的办法解决低质量元器件的使用问题，低质量的元器件要慎重使用。

　　通常电子元器件有一个最佳降额范围，在此范围内，电子元器件工作应力的降低对其失效率的下降有显著的改善，设备的设计易于实现，且不必在设备的重量、体积、成本方面付出大的代价。

　　应按照设备可靠性要求、设计的成熟性、维修费用和难易程度、安全性要求，以及对设备重量和尺寸的限制等因素，综合权衡确定其降额等级。在最佳降额范围内推荐采用三个降额等级。

　　一级降额是最大的降额，对电子元器件使用可靠性的改善最大。超过它的更大降额，通常对电子元器件可靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。

　　一级降额适用于以下情况：设备的失效将导致人员伤亡或者装备与故障设施的严重破坏，对设备有高可靠性要求，且采用新工艺、新技术的设计；由于费用和技术原因，设备失效后无法或者不宜维修；系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。

　　二级降额是中等降额，对电子元器件使用可靠性有明显改善，二级降额在设计上较一级降额易于实现。

　　二级降额适用于下述情况：设备的失效将可能引起装备与保障设施的损坏；有高可靠性要求，且采用了某些专门的设计；需支付较高的维修费用。

　　三级降额是最小的降额，对电子元器件使用可靠性改善的相对效益最大，但是可靠性改善的绝对效果不如一级和二级降额。三级降额在设计上最容易实现。

　　三级降额适用于下述情况：设备的失效不会造成人员和设施的伤亡和破坏；设备采用成熟的标准设计；故障设备可迅速、经济地加以恢复我；对设备的尺寸、重量无大的限制。

　　通常情况下大部分的电子元器件降额设计采用三级降额，个别元器件采用一级降额或二级降额。

　　（1）应力：在贮存/运输和工作中对于元器件产品的功能产生影响的各种外界因素，统称为应力。常遇到的有：

　　机械应力：指元器件所承受的直接负荷、压力、冲击、振动、碰撞和跌落，等等。

　　环境应力：指元器件所处工作环境条件下除温度外的其它外界因素，例如：灰尘、温度、气压、盐雾、腐蚀，等等。

　　时间应力：指元器件承受应力时间的长短（承受应力时间越长，越易老化或失效。）

　　（2）基本失效率（λь）：指元器件在额定条件下工作时的失效率，也称为额定失效率或通用失效率（一般由元器件制造厂产品目录提供）。

　　（3）失效率（λр）：指元器件在实际运用状态下工作时的失效率，也称为现场失效率。

　　（4）降额系数（S）：元器件降额应用时引入一个降额系数，降额系数定义实际上与电应力系数的定义相同，故两者可以通用。

　　对电子元器件进行降额设计首先要知道电子元器件的质量等级。根据用途，电子元器件的质量等级可分为：用于电子元器件生产控制、选择和采购的质量等级和用于电子设备可靠性预计的质量等级两类，两者有所区别，又相互联系，前者用于生产、加工过程，后者用于设计过程中。电子元器件设计过程中的质量等级还要参考生产加工中的质量等级。只有严格遵循质量等级进行选择电子元器件，才能够按照其质量等级进行降额。不同类型的电子元器件按照各自的质量等级标准划分表2。

　　集成电路降额的主要目的在于降低高温集中部分的温度，降低由于器件的缺陷而可能失效的工作应力，延长器件的工作寿命。集成电路的降额参数主要有：电源电压，输出电流，频率，最高结温，在实际中主要以输入电压和输出电流为主，在保证正常工作的前提下，降低输入电压和输出电流，功率降下来了，最高结温就降下来了。

　　电源模块的降额参数主要有：电压、电流、功率、工作温度。在实际中主要以功率和工作温度为主。

　　高温是对二极管破坏力最强的应力，所以对二极管的功率和结温必须进行降额，电压击穿是二极管失效的另一主要原因素，因此二极管的电压也需要降额。二极管的降额参数主要有：反向电压，正向电流，功率，最高结温，在实际中主要以反向电压为主。

　　高结温和结点高电压是半导体光电器件的主要破坏性应力，结温受结点电流或功率的影响，所以对半导体光电器件的结温、功率和电流都需要进行降额。半导体光电器件的降额参数主要有：电压，电流，最高结温，在实际中主要以电压为主。

　　电阻器件的体积小，过负荷能力强，但是它们的阻值稳定性差，热和电流噪声大，电压与温度系数比较大。电阻器的降额参数主要有：电压，功率，环境温度，在实际中主要以环境温度为主。

　　由于电位器是部分接入负载，其功率的额定值应根据使用阻值按照比例进行降额。电位器的降额参数主要有：电压，功率，环境温度，在实际中主要以环境温度为主。

　　固定陶瓷电容器绝缘电阻高，对温度和频率的稳定性好。电降额参数主要有：直流工作电压，环境温度，在实际中主要以直流工作电压为主。

　　电解电容降额的主要参数是工作电压和环境温度，在实际中主要以工作电压为主。

　　为防止绝缘击穿，线圈的绕组电压应维持在额定值。工作在低于其设计频率范围的电感元件会产生过热和可能的磁饱和，使元件的工作寿命缩短，甚至导致线圈绝缘破坏。电感的降额参数主要有：热点温度，工作电流，瞬态电压/电流，介质耐压，电压，在实际中主要以工作电流为主。

　　开关的降额准则：连续触点电流，触点额定电压，触点额定功率，在实际中主要以触点额定功率为主。

　　影响电连接器可靠性的主要因素有插针和插孔的材料，接点电流，有源节点数目，插拔次数和工作环境温度。连接器的降额参数主要有：工作电流，工作电压，温度，在实际中主要以温度为主。

　　晶体的尺寸与它的工作频率有关。晶体降额参数主要有：驱动功率和工作温度，通常晶体的驱动功率不能降额，因为它直接影响晶体的额定频率。晶体的工作温度必须保持在规定的限制范围内，以保证达到额定的工作频率，具体工作范围为：比最低额定温度高10℃，比最高额定温度低10℃。在实际中晶体降额主要以温度为主。

　　各个电子元器件按照主要的降额参数，根据实际输入的参数值和该参数的额定值，就可以计算出对应的降额系数。

　　某电子设备用质量等级B2的硅NPN管（单）用于线性电路放大。已知此管使用在GF1环境中，使用功耗为0.28W，额定功率为0.8W，即电路中采用了降额设计，环境温度为40℃，外加电压（工作电压）是额定电压的60%，按照计算公式，求出工作失效率λр。

　　对上述问题进行分析与比较如下：如果不采用降额设计措施，或降额设计措施不够，则元器件的基本失效率就会增大。现假定使用功耗为0.72W，额定功率为0.8W，即降额系数S=0.72/0.8=0.9，外加电压是额定电压的100%，即S2=VCE/VCEO=1，按照计算公式，求出此管的工作失效率λрl。

　　就是说，上例不采取降额设计措施NPN管的工作失效率λр是采取降额设计措施NPN管工作失效率的13.2倍。因此，降额设计是很重要的，付出的代价小，而效果大，同时在电路设计中容易实现。

　　某电子公司在设计光电产品时，复位信号分压部分未采用降额设计，其5伏分压在常温时满足要求。但是在进行低温时，电阻值降低，导致分压电压低于最小额定值，使得系统始终处于复位状态。对分压电路进行降额设计后，系统低温工作正常，符合使用要求。

　　降额设计是电路可靠性设计中的一种常用方法，通过降额设计可以达到降低器件基本失效率、提高产品使用可靠性的目的。本文通过对各种电子元器件的降额等级、质量等级、降额准则进行详细介绍，目的在于为工程技术人员进行电子设计时提供参考，使得设计人员能够方便、快捷地选用最优电子元器件，最大限度地提高电子元器件的可靠性。

　　郭振铎（1982-），现为中原工学院电子信息学院讲师。主要研究方向为图像处理技术和嵌入式系统开发与应用。

　　郭炳，现为中国电子科技集团公司第二十七研究所工程师，主要从事视频图像处理系统开发。