Multiobjective design optimization of IGBT power modules considering power cycling and thermal cycling

Insulated-gate bipolar transistor (IGBT) power modules find widespread use in numerous power conversion applications where their reliability is of significant concern. Standard IGBT modules are fabricated for general-purpose applications while little has been designed for bespoke applications. However, conventional design of IGBTs can be improved by the multiobjective optimization technique. This paper proposes a novel design method to consider die-attachment solder failures induced by short power cycling and baseplate solder fatigue induced by the thermal cycling which are among major failure mechanisms of IGBTs. Thermal resistance is calculated analytically and the plastic work design is obtained with a high-fidelity finite-element model, which has been validated experimentally. The objective of minimizing the plastic work and constrain functions is formulated by the surrogate model. The nondominated sorting genetic algorithm-II is used to search for the Pareto-optimal solutions and the best design. The result of this combination generates an effective approach to optimize the physical structure of power electronic modules, taking account of historical environmental and operational conditions in the field.

Real-time temperature estimation for power MOSFETs considering thermal ageing effects

This paper presents a novel real-time power-device temperature estimation method that monitors the power MOSFET's junction temperature shift arising from thermal aging effects and incorporates the updated electrothermal models of power modules into digital controllers. Currently, the real-time estimator is emerging as an important tool for active control of device junction temperature as well as online health monitoring for power electronic systems, but its thermal model fails to address the device's ongoing degradation. Because of a mismatch of coefficients of thermal expansion between layers of power devices, repetitive thermal cycling will cause cracks, voids, and even delamination within the device components, particularly in the solder and thermal grease layers. Consequently, the thermal resistance of power devices will increase, making it possible to use thermal resistance (and junction temperature) as key indicators for condition monitoring and control purposes. In this paper, the predicted device temperature via threshold voltage measurements is compared with the real-time estimated ones, and the difference is attributed to the aging of the device. The thermal models in digital controllers are frequently updated to correct the shift caused by thermal aging effects. Experimental results on three power MOSFETs confirm that the proposed methodologies are effective to incorporate the thermal aging effects in the power-device temperature estimator with good accuracy. The developed adaptive technologies can be applied to other power devices such as IGBTs and SiC MOSFETs, and have significant economic implications.

Embedded heat pipes in cofired ceramic substrates for enhanced thermal management of electronics

A novel and new thermal management technology for advanced ceramic microelectronic packages has been developed incorporating miniature heat pipes embedded in the ceramic substrate. The heat pipes use an axially grooved wick structure and water as the working fluid. Prototype substrate/heat pipe systems were fabricated using high temperature co-fired ceramic (alumina). The heat pipes were nominally 81 mm in length, 10 mm in width, and 4 mm in height, and were charged with approximately 50–80 μL of water. Platinum thick film heaters were fabricated on the surface of the substrate to simulate heat dissipating electronic components. Several thermocouples were affixed to the substrate to monitor temperature. One end of the substrate was affixed to a heat sink maintained at constant temperature. The prototypes were tested and shown to successful and reliably operate with thermal loads over 20 Watts, with thermal input from single and multiple sources along the surface of the substrate. Temperature distributions are discussed for the various configurations and the effective thermal resistance of the substrate/heat pipe system is calculated. Finite element analysis was used to support the experimental findings and better understand the sources of the system's thermal resistance. ^

Embedded Heat Pipes in Cofired Ceramic Substrates for Enhanced Thermal Management of Electronics

A novel and new thermal management technology for advanced ceramic microelectronic packages has been developed incorporating miniature heat pipes embedded in the ceramic substrate. The heat pipes use an axially grooved wick structure and water as the working fluid. Prototype substrate/heat pipe systems were fabricated using high temperature co-fired ceramic (alumina). The heat pipes were nominally 81 mm in length, 10 mm in width, and 4 mm in height, and were charged with approximately 50-80 mL of water. Platinum thick film heaters were fabricated on the surface of the substrate to simulate heat dissipating electronic components. Several thermocouples were affixed to the substrate to monitor temperature. One end of the substrate was affixed to a heat sink maintained at constant temperature. The prototypes were tested and shown to successful and reliably operate with thermal loads over 20 Watts, with thermal input from single and multiple sources along the surface of the substrate. Temperature distributions are discussed for the various configurations and the effective thermal resistance of the substrate/heat pipe system is calculated. Finite element analysis was used to support the experimental findings and better understand the sources of the system's thermal resistance.

Underground power cable environment on-line monitoring and analysis

Knowledge of cable parameters has been well established but a better knowledge of the environment in which the cables are buried lags behind. Research in Queensland University of Technology has been aimed at obtaining and analysing actual daily field values of thermal resistivity and diffusivity of the soil around power cables. On-line monitoring systems have been developed and installed with a data logger system and buried spheres that use an improved technique to measure thermal resistivity and diffusivity over a short period. Results based on long term continuous field data are given. A probabilistic approach is developed to establish the correlation between the measured field thermal resistivity values and rainfall data from weather bureau records. This data from field studies can reduce the risk in cable rating decisions and provide a basis for reliable prediction of “hot spot” of an existing cable circuit

Theoretical Maximum Limits on Power-Handling Capacity of HVDC Cables

In the case of an ac cable, power transmission is limited by the length of the cable due to the capacitive reactive current component. It is well known that high-voltage direct current (HVDC) cables do not have such limitations. However, insulation-related thermal problems pose a limitation on the power capability of HVDC cables. The author presents a viable theoretical development, a logical extension to Whitehead's theory on thermal limitations of the insulation. The computation of the maximum power-carrying capability of HVDC cables subject to limits on the maximum operable temperature of the insulation is presented. The limitation on the power-carrying capability is closely associated with the electrothermal insulation failure. The effect of environmental interaction by way of external thermal resistance, an important aspect, is also considered in the formulations. The Lagrange multiplier method has been used to handle the ensuing optimization problem. The theory is based on an accepted theory of thermal breakdown in insulation and is an important and a coherent extension of great significance.

Avaliação das propriedades de barreira a gases de membranas obtidas a partir de dispersões aquosas à base de poliuretanos e argila

Materiais nanoestruturados têm recebido destaque na comunidade científica, destacando-se, dentre eles, os nanocompósitos à base de polímeros e argila. Quando esses materiais são obtidos no estado líquido, ressalta-se também o uso de água em substituição a solventes orgânicos, devido a questões ambientais. Neste trabalho foram sintetizadas dispersões aquosas à base de poliuretanos (WPUs) e argila hidrofílica do tipo montimorilonita (MMT) de natureza sódica, com o objetivo de avaliar as propriedades de barreira a gases conferidas pela presença de argila e pela variação nas proporções entre os segmentos flexíveis poli(glicol propilênico) (PPG) e o copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG). Os monômeros empregados na síntese foram: poli(glicol propilênico) (PPG); copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 7% de EG; ácido dimetilolpropiônico (DMPA), diisocianato de isoforona (IPDI) e etilenodiamina (EDA), como extensor de cadeia. Foram sintetizadas dispersões aquosas com e sem a presença de argila, fixando-se a razão entre o número de equivalentes-grama de grupos diisocianato e hidroxila (razão NCO/OH) em 1,5. Nas formulações foi variado também o teor de argila em relação à massa de prepolímero em 0,5% e 1%. Foi adicionada uma etapa de agitação adicional com dispersor Turrax em algumas formulações. A argila foi previamente deslaminada em água deionizada e incorporada à formulação na etapa da dispersão do prepolímero. As dispersões foram avaliadas, quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partícula e viscosidade aparente. Os filmes vazados a partir das dispersões foram caracterizados por espectrometria na região do infravermelho (FTIR) e permeabilidade ao CO2. A resistência térmica dos filmes foi determinada por termogravimetria (TG). Foram observadas modificações nas propriedades dos filmes obtidos com a inserção da argila e com a variação no teor de segmentos à base de poli(glicol etilênico). A inserção da argila promoveu uma melhoria na resistência térmica das membranas bem como uma redução na permeabilidade das mesmas. Foi observado um aumento na permeabilidade das membranas obtidas a partir das formulações com maior percentual de copolímero (EG-b-PG), com e sem argila.

Avaliação da biodegradabilidade de misturas poliméricas de policarbonato/poli(-caprolactona) em solo simulado

Neste estudo foram avaliadas amostras de misturas poliméricas de Policarbonato (PC) e Poli--caprolactona (PCL) em diferentes concentrações após enterro em solo preparado, por períodos variando de uma a doze semanas, seguindo a Norma ASTM G 160 - 03. As amostras, após ficarem enterradas, foram retiradas do solo e analisadas por calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectrometria de absorção na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Foi observado através de avaliação morfológica que houve degradação nas amostras de PCL puro e na mistura PC/PCL (60/40). Para misturas com menores teores de PCL a degradação não foi significativa no tempo de avaliação sugerido pela norma. Após o tempo de 12 semanas em contato com o solo houve uma redução no teor de cristalinidade das amostras tanto de PCL puro quanto da mistura PC/PCL com 40% de PCL. As variações ocorridas devido à biodegradabilidade não foram suficientes para acarretar perda de resistência térmica nas amostras. Verificou-se que para avaliar a biodegradabilidade de misturas contendo o polímero biodegradável PCL, é necessária uma adaptação da Norma utilizada, aumentando o tempo de enterro das amostras

高硅氧发光玻璃的制备及其荧光性能

abstract {Silica glass is an attractive host matrix for the emission ions of rare earth and transition metal ions because it has small thermal expansion coefficient, strong thermal resistance, large fracture strength and good chemical durability and so on. However, a major obstacle to using it as the host matrix is a phenomenon of concentration quenching. In this paper, we introduces a novel method to restrain the concentration quenching by using a porous glass with SiO₂ content > 95% (in mass) and prepare intense fluorescence high-SiO₂ glasses and high-SiO₂ laser glass. The porous glass with high-SiO₂ content was impregnated with rare-earth and transition metal ions, and consequently sintered into a compact non-porous glass in reduction or oxidization atmospheres. Various intense fluorescence glasses with high emission yields, a vacuum ultraviolet-excited intensely luminescent glass, high silica glass containing high concentration of Er³⁺ ion, ultrabroad infrared luminescent Bi-doped high silica glass and Nd³⁺-doped silica microchip laser glass were obtained by this method. The porous glass is also favorable for co-impregnating multi-active-ions. It can bring effective energy transferring between various active ions in the glass and increases luminescent intensity and extend range of excitation spectrum. The luminescent active ions-doped high-SiO₂ glasses are potential host materials for high power solid-state lasers and new transparent fluorescence materials.}

Preparação e caracterização de microesferas poliméricas à base de poli(ácido metacrílico-co-divinilbenzeno) obtidas por polimerização por precipitação

Neste trabalho foi feito um estudo sobre a preparação e caracterização de microesferas poliméricas à base de poli(ácido metacrílico-co-divinilbenzeno) por polimerização por precipitação. As partículas foram sintetizadas e analisadas em diferentes condições de reação. Partículas esféricas políméricas foram sintetizadas na faixa de 1,66 - 8,41 m, assim como partículas no estado de microgel. As partículas foram caracterizadas pelas técnicas de espalhamento de luz dinâmica (DLS), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), adsorção de nitrogênio pelos métodos BET (Brunauer, Emmett e Teller) e BJH (Barret, Joyner e Halenda), microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, e testes de razão de inchamento. A análise das partículas foi feita para verificar a influência da mudança na composição de comonômeros, grau de reticulação, relação de monômeros totais/diluentes em massa/volume (g/100 mL), e quanto à relação volumétrica de diluentes. Verificou-se que houve um aumento no tamanho das partículas e da resistência térmica com a diminuição da fração molar de MAA (ácido metacrílico). Na preparação de partículas com fração molar de 50% de MAA, e relação volumétrica acetonitrila/tolueno de 75/25, quanto maior a relação de monômeros totais/diluentes (g/100 mL), maior o tamanho e o rendimento das partículas. Com a mudança da relação volumétrica de diluentes, houve mudança nas características de porosidade, tamanho das partículas, e grau de inchamento das partículas, sendo que na relação volumétrica acetonitrila/tolueno de 50/50, houve formação de microgel

Preparação e avaliação de hidrogéis nanocompósitos à base de alginato na remoção de Cu (II) e Zn (II) de soluções aquosas

Esta dissertação teve como objetivo, a preparação de hidrogéis à base de alginato contendo argila e material magnético em sua estrutura. Foram analisadas as modificações nas características físico-químicas dos hidrogéis preparados com diferentes reticulantes (CaCl2 e FeCl3) e diferentes concentrações de material magnético (1 e 3 % m/m) e argila (1, 5 e 10 %). Após isso, os hidrogéis foram avaliados quanto à capacidade de remoção de íons Cu2+ e Zn2+ de soluções aquosas. As amostras foram caracterizadas quanto à composição química por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), quanto à morfologia por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (SEM) e quanto às propriedades magnéticas por magnetometria de amostra vibrante (VSM). Através da técnica de difratometria de raios-X (XRD), foi possível verificar a natureza do material magnético e a dispersão da argila nos hidrogéis. A estabilidade térmica das amostras foi analisada por análise termogravimétrica (TGA). Os resultados mostraram que tanto a argila como o material magnético ficaram bem dispersos nas amostras. De forma geral, foram preparados hidrogéis com morfologia esférica, sendo que os hidrogéis de alginato de cálcio tenderam a apresentar maior resistência térmica do que os hidrogéis de alginato de ferro. Todas as amostras magnéticas apresentaram comportamento superparamagnético, porém as amostras de alginato de ferro mostraram-se quebradiças após o intumescimento em água. O tempo médio de equilíbrio de intumescimento foi de 240 minutos. Os resultados de cinética de adsorção mostraram que os hidrogéis de alginato de cálcio preparados nas condições avaliadas nesta Dissertação foram eficientes na remoção dos íons Cu2+ e Zn2+, sendo que o cobre apresentou maior afinidade pelo hidrogel do que o zinco

Avaliação da biodegradabilidade de filmes de polihidroxibutirato com borracha natural

A modernidade exige materiais versáteis, resistentes e, durante um longo tempo os plásticos serviram a esse propósito. Entretanto, o acúmulo desses materiais ao serem descartados no meio ambiente tornou-se um problema Os polímeros biodegradáveis surgiram neste cenário como alternativa para evitar o acúmulo de resíduos plásticos no meio ambiente. O polihidroxibutirato (PHB) representa uma classe de polímeros biodegradáveis, mas que apresenta um alto custo e possui ainda propriedades térmicas limitadas. A borracha natural possui excelentes propriedades mecânicas, resistência ao envelhecimento, flexibilidade e apresenta melhor custo benefício se comparada com as borrachas sintéticas. Neste estudo, foram elaboradas misturas poliméricas de polihidroxibutirato (PHB) e látex de borracha natural em diferentes concentrações, por prensagem à quente. Os ensaios de calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA), espectrometria na região do infravermelho (FTIR), microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizados para caracterizar e avaliar as propriedades das misturas poliméricas. O PHB e as misturas com borracha natural foram submetidos ao ensaio de biodegradabilidade através do enterro em solo simulado, conforme a norma ASTM G 160-03, variando por um período de 2 a 17 semanas. Ao final de cada período foram determinadas a perda de massa, a morfologia dos corpos de prova e foram realizadas as análises de DSC, TGA e FTIR. As misturas poliméricas apresentaram menor resistência térmica do que o PHB. No ensaio de biodegradabilidade, as misturas foram consideradas biodegradáveis, segundo a norma ASTM G 160-03 e tiveram a porcentagem de cristalinidade reduzida, tendo o teor de borracha natural contribuído para aumentar a taxa de biodegradação. As análises por MEV comprovaram a existência de consórcios de microrganismos, responsáveis pela biodegradação do PHB e das misturas poliméricas

Copolímeros à base de estireno e anidrido maleico: caracterização e estudo viscosimétrico

Copolímeros à base de estireno e anidrido maleico (SMA) são materiais sintéticos comercialmente disponíveis, obtidos pela reação dos dois monômeros citados em diferentes proporções, resultando em materiais versáteis, e disponíveis em diferentes graus de massas e porcentagens molares de anidrido maleico. São considerados polímeros funcionais devido à reatividade do grupamento anidrido maleico presente na cadeia polimérica. Por este motivo, esses materiais possuem vasta gama de aplicações, e elevada importância em diversas áreas, principalmente por terem baixa toxicidade, boa resistência térmica e boa estabilidade dimensional. Dessa forma, para melhor aplicação desses copolímeros, é muito importante o conhecimento dos parâmetros relativos ao seu comportamento em solução. A viscosimetria, em especial, é um método simples, útil e apropriado para fornecer essas informações. Os parâmetros viscosimétricos podem ser matematicamente calculados por extrapolação gráfica, entretanto a geração dos dados experimentais é mais demorada. Em contrapartida, é possível que a determinação experimental seja feita de forma mais rápida, por um único ponto, procedimento esse que desperta tanto o interesse acadêmico quanto o industrial. Neste trabalho, foram empregados os dois métodos de cálculo, utilizando solventes puros, misturas de solventes e três amostras de copolímeros à base de SMA. As determinações foram conduzidas a 40C. Os copolímeros utilizados possuiam teores de anidrido maleico de 50%, 45% e 40%, sendo os dois últimos esterificados com butil-metil-éster e sec-butil-metil-éster, respectivamente. Os solventes utilizados foram: N-metil-pirrolidona (NMP), tetrahidrofurano (THF) e suas respectivas misturas 1:1 com metil-etil-cetona (MEK), ou seja, (NMP:MEK) e THF:MEK, sendo a MEK um não solvente para o copolímero não esterificado. As equações utilizadas para extrapolação gráfica foram as de Huggins, Kraemer e Schulz-Blaschke. As equações empregadas em um único ponto foram as de Solomon-Ciuta, Deb-Chanterjee e novamente Schulz-Blaschke. Os resultados obtidos foram comparados e avaliou-se a possibilidade da utilização do método mais rápido, por um único ponto, para os sistemas estudados através dos desvios percentuais tendo como padrão os resultados da equação de Huggins. A equação de Deb-Chanterjee foi a mais adequada aos sistemas em NMP, que foi também o melhor solvente para as amostras. Os resultados obtidos na mistura NMP:MEK sugeriram que a viscosimetria pode ter sido um método sensível às pequenas diferenças estruturais entre os grupos pendentes nas amostras esterificadas. Paralelamente, realizou-se análises de espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA) e ensaios dinâmico-mecânicos (DMA) para a caracterização estrutural e térmica das amostras. Somente os resultados obtidos a partir de DMA indicaram diferenças entre as amostras esterificadas

Síntese e avaliação de hidrogéis à base de alginato e nanopartículas magnéticas preparadas in situ para remoção de Mn(II) e Ni(II) de efluente industrial

Esta Dissertação teve como objetivo,a síntese de hidrogéis à base de alginato e nanopartículas magnéticas (maghemita) preparadas in situ. Os hidrogéis foram preparados em diferentes concentrações de alginato de sódio (2 e 3% m/v), FeSO4 (0,3 e 0,5 mol L-1) e CaCl2 (0,1 e 0,3 mol L-1). As propriedades físico-químicas dos hidrogéis foram analisadas e, posteriormente, foram avaliados quanto à capacidade de remoção de íons Ni2+ e Mn2+ de soluções aquosas. Para caracterização das amostras foram utilizadas diversas técnicas de análises, tais como, análise granulométrica, microscopia óptica (OM), microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), magnetometria de amostra vibrante (VSM), espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difratometria de raios-X (XRD), espectroscopia Mössbauer, e análise termogravimétrica (TGA). Foram preparados hidrogéis com morfologia predominantemente esférica e dimensões micrométricas (500 a 850 m), com átomos de Fe e Ca dispersos uniformemente em sua estrutura. Os hidrogéis apresentaram boa resistência térmica e comportamento superparamagnético. As amostras foram intumescidas em água deionizada durante um intervalo de tempo a fim de avaliar o grau de intumescimento (Q) para determinar a amostra com a melhor resposta para posterior aplicação em solução aquosa contendo íons metálicos (Ni2+ e Mn2+). Os resultados revelaram que a amostra cuja concentração de 3% m/v de alginato de sódio, 0,3 mol L-1 de FeSO4 e 0,3 mol L-1 de CaCl2 obteve maior Q (50%). Em consequência deste resultado, optou-se por utilizar estaamostra, na remoção de metais pesados presentes em soluções aquosas e em efluentes industriais. Vários parâmetros,tais como: tempo de contato,pH, concentração inicial do íon e massa de hidrogel foram estudados.Os resultados, para efluente sintético, revelaram que o tempo de equilíbrio foi de 60 minutos; a capacidade de remoção dos metais melhora com o aumento de pH (3 a 9), sendo máxima em pH 7;quanto menor a concentração inicial da solução iônica (50 a 500 mg L-1), maior a capacidade de remoção, 52% de Ni2+ e 49% de Mn2+ (concentração inicial de 50 mg L-1). No efluente industrial, a remoção foi de 61% de Ni2+ e 57% de Mn2+(300 mg de hidrogel). Os resultados encontrados revelaram que os hidrogéis magnéticos produzidos à base de alginato têm potencial uso no tratamento de efluentes industriais contaminados com metais pesados

Influence of a building's integrated-photovoltaics on heating and cooling loads

Building integrated photovoltaics (BIPV) has the potential to become a major source of renewable energy in the urban environment. BIPV has significant influence on the heat transfer through the building envelope because of the change of the thermal resistance by adding or replacing the building elements. Four different roofs are used to assess the impacts of BIPV on the building's heating-and-cooling loads; namely ventilated air-gap BIPV, non-ventilated (closed) air-gap BIPV, closeroof mounted BIPV, and the conventional roof with no PV and no air gap. One-dimensional transient models of four cases are derived to evaluate the PV performances and building cooling-and-heating loads across the different roofs in order to select the appropriate PV building integration method in Tianjin, China. The simulation results show that the PV roof with ventilated air-gap is suitable for the application in summer because this integration leads to the low cooling load and high PV conversion efficiency. The PV roof with ventilation air-gap has a high time lag and small decrement factor in comparison with other three roofs and has the same heat gain as the cool roof of absorptance 0.4. In winter, BIPV of non-ventilated air gap is more appropriate due to the combination of the low heating-load through the PV roof and high PV electrical output. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.