Onderzoekers van Osaka University hebben een vroegtijdige methode ontdekt om toekomstige storingen in elektrische vermogensomvormers te testen met behulp van akoestische-emissietellingen, meldde Science Daily.

 

“In een onderzoek dat recentelijk is gepubliceerd in IEEE Transactions on Power Electronics, hebben onderzoekers van Osaka University in real time de verspreiding van scheuren in een siliciumcarbide Schottky-diode gevolgd tijdens vermogenscyclustests. De onderzoekers gebruikten een analysetechniek, bekend als akoestische emissie, die voor dit doel nog niet eerder was gerapporteerd,” merkte Science Daily op.

Vermogenselektronica regelt en past elektrisch vermogen aan. Deze wordt toegepast in computers, stuurbekrachtigingssystemen, zonnecellen en vele andere technologieën. Onderzoekers streven ernaar de vermogenselektronica te verbeteren door gebruik te maken van siliciumcarbide-halfgeleiders. Slijtagestoringen zoals scheuren blijven echter problematisch. Om onderzoekers te helpen toekomstige ontwerpen van apparaten te verbeteren, is vroegtijdige schadedetectie in vermogenselektronica vóór volledige uitval vereist.

 

 

Figuur 1. Akoestische emissie (AE) werd toegepast om slijtagestoringen te monitoren in discrete SiC Schottky-barrièrediode (SBD)-apparaten met een Ag-sinter-die-attachment, om voor het eerst succesvol de real-time voortgang van storingen in Al-lintjes te monitoren. (a) Optische afbeelding van een SiC-SBD-apparaat. (b) Dwarsdoorsnede SEM-afbeelding. (c) Experimentele opstelling voor vermogenscyclustests en real-time AE-monitoring. (d) Golfvorm van het verzamelde AE-signaal en de kenmerken ervan, inclusief tellingen en amplitude. (e) Ontstaan, verspreiding en verzameling van AE-signalen (d.w.z. elastische golven) in vermogenselektronica tijdens een vermogenscyclustest. Credit: Osaka University

 

Bij het monitoren van de resulterende schade aan de diode over tijd, terwijl de onderzoekers het apparaat herhaaldelijk aan- en uitschakelden, ontdekten zij  progressieve schade aan aluminium lintjes die aan de siliciumcarbide Schottky-diode waren bevestigd, en dat toenemende akoestische emissie overeenkwam met progressieve schade aan de lintjes.

"Een transducer zet akoestische-emissiesignalen tijdens vermogenscyclustests om in een elektrische uitgangswaarde die kan worden gemeten," verklaarde hoofdauteur ChanYang Choe in het rapport. "We observeerden golfvormen van het burst-type, die overeenkomen met vermoeiingsscheurvorming in het apparaat."

 

Figuur 2. Na het elimineren van achtergrond-AE-ruis—waaronder het aan- en uitschakelen van de voeding en omgevingsgeluid—via ruisfiltering, werden AE-signalen succesvol verzameld voor de SiC-apparaten tijdens een vermogenscyclustest. (a) Resultaten van de lift-off-storingsanalyse van defecte discrete SiC-SBD-apparaten na een vermogenscyclustest. (b) Dwarsdoorsnede van één Al-lintje vóór storing, waarbij op het grensvlak veel scheuren werden waargenomen. (c) AE-monitoring werd vergeleken met de traditionele storingsmonitoringmethode: het gebruik van de voorwaartse spanning tijdens de vermogenscyclustest. De resultaten geven aan dat AE-monitoring kan worden gebruikt om de vermoeiingsverspreiding in Al-lintjes (d.w.z. het storingsmechanisme) te begrijpen, en ook als vroege waarschuwing vóór catastrofale lift-off-breuk bij vermogenselektronica-apparaten. Credit: Osaka University

 

Onderzoekers ontdekten  een plotselinge stijging van de voorwaartse spanning, maar alleen wanneer het apparaat bijna volledig faalde. Deze traditionele methode controleert schade aan een vermogensapparaat door abnormale stijgingen tijdens vermogenscyclustests te monitoren. Akoestische-emissietellingen bleken veel gevoeliger te zijn. Deze methode toonde trends in de akoestische-emissietellingen tijdens vermogenscyclustests.

"In tegenstelling tot voorwaartse-spanningsgrafieken geven akoestische-emissiegrafieken alle drie fasen van scheurontwikkeling aan," zegt hoofdauteur Chuantong Chen. "We detecteerden scheurinitiatie, scheurverspreiding en apparaatstoring, en bevestigden onze interpretaties door middel van microscopische beeldvorming."

Er was voorheen geen gevoelig vroegtijdig waarschuwingssysteem beschikbaar voor het monitoren van vermoeiingsscheuren die volledige uitval van siliciumcarbidediodes kunnen veroorzaken. Maar volgens het onderzoek zou akoestische-emissiemonitoring de oplossing kunnen zijn. Het gebruik van deze methode zal onderzoek ondersteunen naar de reden waarom siliciumcarbide-apparaten falen, wat gangbare en geavanceerde technologieën zal helpen toekomstige ontwerpen te verbeteren.