Mittausjärjestelmä IGBT:n lämpötilan määrittämiseen

Tässä diplomityössä tutustutaan IGBT:n ja tehodiodin rakenteisiin, lämmön muodostumiseen kyseisissä komponenteissa sekä menetelmiin, joilla komponenttien lämpötilat voidaan määrittää. Työssä suunnitellaan ja rakennetaan mittausjärjestelmä, jolla IGBT:n ja tehodiodin lämpötilat voidaan määrittää suoraan mittaamalla sekä matemaattisten mallien avulla. Mittausjärjestelmä koostuu DC-chopper -kytkennästä, kuormavirran, välipiirin jännitteen sekä lämpötilan mittauksista. Lämpötilan mittauksissa käytettiin komponenttien pintoihin liitettyjä termopareja. Matemaattisia malleja varten mittausjärjestelmään lisättiin välipiirin jännitteen sekä kuormavirran mittaus. Laitteiston ohjaus sekä mittaustulosten tallentaminen toteutettiin dSPACE -laitteistolla. Mittausjärjestelmän toimivuus testattiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Säätötekniikan laboratoriossa tehdyillä mittauksilla.

IGBT:N KYLLÄSTYSVALVONTA

Tässä työssä on tutkittu IGBT-modulin kyllästysvalvontaa. Periaatteellisena erona yleisesti käytössä olevaan IGBT:n kyllästysvalvontamenetelmään on valvonnan perustuminen IGBT-modulin läpi kulkevaan virtaan, sen yli olevan jännitteen mittaamisen asemesta. IGBT-modulin läpi kulkeva virta aiheuttaa pienen jännitehäviön IGBT-modulin sisällä olevassa DC-miinuskiskossa. Jännitehäviön suuruus riippuu modulin läpi kulkevan virran suuruudesta. Jännitehäviö voidaan mitata kahden mittapisteen välisenä jännite-erona. Kun jännite-ero mittapisteiden välillä kasvaa tarpeeksi suureksi, IGBT:n voidaan olettaa olevan oikosulussa ja laukaisu voidaan suorittaa. Kyllästystilan havaitsemista kuitenkin vaikeuttaa se, että kyseisen DC-miinuskiskon läpi kulkee moottorivirta. Moottorivirran aiheuttamat jännite-erot on pystyttävä erottamaan luotettavasti oikosulkutilanteesta. Lisäksi komponentin ylikuormitettavuusvaatimukset lisäävät kytkennän toteuttamisen vaikeutta. Komponenttia voidaan hetkellisesti ylikuormittaa moninkertaisella nimellisvirralla eikä tämäkään tilanne saa johtaa laukaisuun.Kyllästysvalvonta toteutetaan taajuusmuuttajaan, joka on tunnetusti varsin häiriöinen ympäristö. DC-miinuskiskon mittapisteiden välissä on tämän johdosta havaittavissa virrasta riippuvan jännite-eron lisäksi erittäin voimakkaita kytkentäilmiöistä johtuvia häiriöitä. Myös muiden IGBT-modulien kytkentäilmiöistä johtuvat häiriöt kytkeytyvät kyllästysvalvontakytkentään ja vaikeuttavat osaltaan sen toteuttamista.

IGBT:n kytkentäviiveiden mittaaminen

Taajuusmuuttajassa tehokytkinten, tässä tapauksessa IGBT, kytkentäviiveet vääristävät lähtöjännitettä varsinkin pienillä lähtöjännitteen arvoilla. Kun viiveiden pituudet tunnetaan voidaan niiden vaikutus kompensoida taajuusmuuttajan ohjauksella. Perinteisissä toteutuksissa viiveiden pituudet on arvioitu ennalta määritetyn taulukon mukaisesti, jossa parametrina on ollut muun muassa moottorivirta. Viiveet kuitenkin vaihtelevat yksilökohtaisesti, eikä kaikkia viiveisiin vaikuttavia tekijöitä voida ottaa huomioon, joten taulukko antaa vain suuntaa. Ratkaisuna tähän on viiveiden mittaus. Työssä tutustutaan jännitevälipiirillisen PWM-taajuusmuuttajan toimintaan yleisellä tasolla. IGBT:n toimintaan syvennytään tarkemmin sekä teoreettisella tasolla että käytännön mittauksilla. Työssä tarkastellaan kytkimien kytkentäviiveiden syntytapaa ja niiden vaikutuksia lähtöjännitteeseen. Viiveiden aiheuttamiin lähtöjännitteen virheiden korjaukseen esitetään erilaisia menetelmiä. Työssä rakennetaan mittalaite jolla tarkkaillaan taajuusmuuttajan lähtöjännitettä ja mitataan sen avulla kytkentäviiveiden suuruutta. Kytkennässä huomioidaan erityisesti häiriöisen ympäristön EMI-vaikutusten minimointi laitteen toiminnassa. Käytännön mittauksilla ja testauksilla kytkentä todetaan toimivaksi ja soveltuvaksi kytkentäviiveiden vaihevirheettömään mittaukseen.

IGBT-simulaatiomallien soveltuvuus laitetason hyötysuhdesimulaatioihin

Tehoelektroniikkalaitteiden tehon kasvun myötä niiden hyötysuhteesta on tullut yksi niiden tärkeimmistä ominaisuuksista. Suurilla tehoilla prosentuaalisesti pienetkin tehohäviöt ovat merkittäviä ja aiheuttavat laitteen käyttäjälle ylimääräisiä energiakustannuksia ja tarvetta hukkalämmön poistolle. Näistä syistä asiakkaat vaativat hyvällä hyötysuhteella toimivia laitteita, joten laitevalmistajat pyrkivät tekemään niistä sellaisia. Simulaatiomallit ovat arvokkaita työkaluja laitesuunnittelussa. Hyötysuhdeoptimoinnin kannalta tehohäviöt tulisi pystyä mallintamaan, jotta komponenttivalintojen, ohjaustapojen ja pääpiiritopologioiden vaikutusta hyötysuhteeseen voitaisiin arvioida. Tässä työssä perehdytään eristehilabipolaaritransistorista (IGBT) tehtyihin simulaatiomalleihin ja arvioidaan niiden soveltuvuutta IGBT:ssä syntyvien tehohäviöiden mallintamiseen. Lisäksi verrataan mallia mittaukseen ja pohditaan, millaiset vaatimukset simulaatiomalliin todellisuudessa kohdistuvat.

Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

In situ diagnostics and prognostics of solder fatigue in IGBT modules for electric vehicle drives

This paper proposes an in situ diagnostic and prognostic (D&P) technology to monitor the health condition of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) used in EVs with a focus on the IGBTs' solder layer fatigue. IGBTs' thermal impedance and the junction temperature can be used as health indicators for through-life condition monitoring (CM) where the terminal characteristics are measured and the devices' internal temperature-sensitive parameters are employed as temperature sensors to estimate the junction temperature. An auxiliary power supply unit, which can be converted from the battery's 12-V dc supply, provides power to the in situ test circuits and CM data can be stored in the on-board data-logger for further offline analysis. The proposed method is experimentally validated on the developed test circuitry and also compared with finite-element thermoelectrical simulation. The test results from thermal cycling are also compared with acoustic microscope and thermal images. The developed circuitry is proved to be effective to detect solder fatigue while each IGBT in the converter can be examined sequentially during red-light stopping or services. The D&P circuitry can utilize existing on-board hardware and be embedded in the IGBT's gate drive unit.

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.

State detection of bond wires in IGBT modules using eddy current pulsed thermography

Insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules are important safety critical components in electrical power systems. Bond wire lift-off, a plastic deformation between wire bond and adjacent layers of a device caused by repeated power/thermal cycles, is the most common failure mechanism in IGBT modules. For the early detection and characterization of such failures, it is important to constantly detect or monitor the health state of IGBT modules, and the state of bond wires in particular. This paper introduces eddy current pulsed thermography (ECPT), a nondestructive evaluation technique, for the state detection and characterization of bond wire lift-off in IGBT modules. After the introduction of the experimental ECPT system, numerical simulation work is reported. The presented simulations are based on the 3-D electromagnetic-thermal coupling finite-element method and analyze transient temperature distribution within the bond wires. This paper illustrates the thermal patterns of bond wires using inductive heating with different wire statuses (lifted-off or well bonded) under two excitation conditions: nonuniform and uniform magnetic field excitations. Experimental results show that uniform excitation of healthy bonding wires, using a Helmholtz coil, provides the same eddy currents on each, while different eddy currents are seen on faulty wires. Both experimental and numerical results show that ECPT can be used for the detection and characterization of bond wires in power semiconductors through the analysis of the transient heating patterns of the wires. The main impact of this paper is that it is the first time electromagnetic induction thermography, so-called ECPT, has been employed on power/electronic devices. Because of its capability of contactless inspection of multiple wires in a single pass, and as such it opens a wide field of investigation in power/electronic devices for failure detection, performance characterization, and health monitoring.

In situ diagnostics and prognostics of wire bonding faults in IGBT modules for electric vehicle drives

This paper presents a diagnostic and prognostic condition monitoring method for insulated-gate bipolar transistor (IGBT) power modules for use primarily in electric vehicle applications. The wire-bond-related failure, one of the most commonly observed packaging failures, is investigated by analytical and experimental methods using the on-state voltage drop as a failure indicator. A sophisticated test bench is developed to generate and apply the required current/power pulses to the device under test. The proposed method is capable of detecting small changes in the failure indicators of the IGBTs and freewheeling diodes and its effectiveness is validated experimentally. The novelty of the work lies in the accurate online testing capacity for diagnostics and prognostics of the power module with a focus on the wire bonding faults, by injecting external currents into the power unit during the idle time. Test results show that the IGBT may sustain a loss of half the bond wires before the impending fault becomes catastrophic. The measurement circuitry can be embedded in the IGBT drive circuits and the measurements can be performed in situ when the electric vehicle stops in stop-and-go, red light traffic conditions, or during routine servicing.

Crowbar System in Doubly Fed Induction Wind Generators

In the last 15 years, the use of doubly fed induction machines in modern variable-speed wind turbines has increased rapidly. This development has been driven by the cost reduction as well as the low-loss generation of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT). According to new grid code requirements, wind turbines must remain connected to the grid during grid disturbances. Moreover, they must also contribute to voltage support during and after grid faults. The crowbar system is essential to avoid the disconnection of the doubly fed induction wind generators from the network during faults. The insertion of the crowbar in the rotor circuits for a short period of time enables a more efficient terminal voltage control. As a general rule, the activation and the deactivation of the crowbar system is based only on the DC-link voltage level of the back-to-back converters. In this context, the authors discuss the critical rotor speed to analyze the instability of doubly fed induction generators during grid faults.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Detection and diagnosis solutions for fault-tolerant VSI

This paper presents solutions for fault detection and diagnosis of two-level, three phase voltage-source inverter (VSI) topologies with IGBT devices. The proposed solutions combine redundant standby VSI structures and contactors (or relays) to improve the fault-tolerant capabilities of power electronics in applications with safety requirements. The suitable combination of these elements gives the inverter the ability to maintain energy processing in the occurrence of several failure modes, including short-circuit in IGBT devices, thus extending its reliability and availability. A survey of previously developed fault-tolerant VSI structures and several aspects of failure modes, detection and isolation mechanisms within VSI is first discussed. Hardware solutions for the protection of power semiconductors with fault detection and diagnosis mechanisms are then proposed to provide conditions to isolate and replace damaged power devices (or branches) in real time. Experimental results from a prototype are included to validate the proposed solutions.

Retificador trifásico controlado com fator de potência quase unitário

Dissertação de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo Automação e Eletrónica Industrial

Suurnopeushilaohjain IGB-transistoreille

Hilalta ohjattavien tehokytkimien, kuten IGBT tai MOSFET, ohjaaminen toteutetaan ohjausjännitettä muuttamalla. Hilaohjaimen tehtävä on ladata tehokytkimen hilakapasitanssia ohjattuun jännitteeseen. Hilaohjaimen siirtämän varauksen suuruuteen vaikuttaa hilakapasitanssin todellinen suuruus ja käytettävä ohjausjännite. Hilaohjaimen virrankäsittelykyky määrittää hilaohjaimen nopeuden siinä mielessä, että ohjattavan komponentin hilavaraus tulisi pystyä lataamaan ja purkamaan tietyssä suhteessa kytkentätaajuuteen. Kytkentätaajuuksien kasvaessa myös hilaohjaimen virrankäsittelykyky sekä hilaohjaimen teho joutuvat uudelleen arvioitaviksi. Työssä perehdytään IGBT:n toimintaan ja hilaohjainratkaisuihin suurilla kytkentätaajuuksilla. Työssä ontutkittu mahdollisuutta rakentaa IGBT:n hilaohjain jo markkinoilla olevista MOSFET:ien hilaohjaimista. Suurnopeushilaohjaimesta suunnitellaanja rakennetaan prototyyppi. Prototyypin suoriutumista tehtävistään tarkastellaan tekemällä mittauksia. Lopuksi arvioidaan asioita joiden tulee muuttua matkalla kohti megahertsien kytkentätaajuuksia.

Applying Active Front End To Multilevel Inverter

The aim of this work was to make an active front end from IGBTs for a multilevel inverter. The work was done for Mosart II, a long term still ongoing Vacon Oyj project. The purpose of the AFE is to balance the DC-voltage and to put the returning power back to the grid instead of the breaking chopper and the capacitor. With a diode rectifier the bridge only allows power to pass in one direction and the switching times are not controllable. That means the rectifier always takes the highest phase and the phases are always conducting the same 120◦. With an AFE it is possible to actively change the rectifiers switching pattern. A diode bridge also generates much greater losses than an IGBT bridge. With these arguments it is rational to start researching the possibility of an AFE in a multilevel inverter.