Observations of Acoustic Emission in Power Semiconductors

Industrial, electrical power generation, and transportation systems, to name but a few, rely heavily on power electronics to control and convert electrical power. Each of these systems, when encountering an unexpected failure, can cause significant financial losses, or even an emergency. A condition monitoring system would help to alleviate these concerns, but for the time being, there is no generally accepted and widely adopted method for power electronics. Acoustic emission is used as a failure precursor in many applications, but it has not been studied in power electronics so far. In this doctoral dissertation, observations of acoustic emission in power semiconductor components are presented. The acoustic emissions are caused by the switching operation and failure of power transistors. Three types of acoustic emission are observed. Furthermore, aspects related to the measurement and detection of acoustic phenomena are discussed. These include sensor performance and mechanical construction of experimental setups. The results presented in this dissertation are the outset of a research program where it will be determined whether an acoustic-emission-based condition monitoring method can be developed.

Stability Condition Based Sliding Mode Modulators for Multilevel Power Converters

Sliding mode controllers for power converters usually employ hysteresis comparators to directly generate the power semiconductors switching states. This paper presents a new sliding mode modulator based on the direct implementation of the sliding mode stability condition, which for multilevel power converters shows advantages, as branch equalized switching frequencies and less distortion on the ac currents when operating near the rated converter power. The new sliding mode multilevel modulator is used to control a three-phase multilevel converter, operated as a reactive power compensator (STATCOM), implementing the stability condition in a digital signal processing system. The performance of this new sliding mode modulator is compared with a multilevel modulator based on hysteresis comparators. Simulation and experimental results are presented in order to highlight the system operation and control robustness.

New Technique for Uniform Voltage Sharing in Series Stacked Semiconductors

This paper describes the operation of a solid-state series stacked topology used as a serial and parallel switch in pulsed power applications. The proposed circuit, developed from the Marx generator concept, balances the voltage stress on each series stacked semiconductor, distributing the total voltage evenly. Experimental results from a 10 kV laboratory series stacked switch, using 1200 V semiconductors in a ten stages solid-state series stacked circuit, are reported and discussed, considering resistive, capacitive and inductive type loads for high and low duty factor voltage pulse operation.

Technical impediments to a more effective utilization of neutron transmutation doped silicon for high-power device fabrication /

"Issued May 1980."

Conversor multinível NPC de cinco níveis como ondulador de tensão ligado à rede

O crescimento da utilização de accionamentos electromecânicos de velocidade variável entre outros dispositivos que necessitam de tensões elevadas, na ordem dos kV e com elevados níveis de qualidade, despertou o interesse pelos conversores multinível. Este tipo de conversor consegue alcançar elevadas tensões de funcionamento e simultaneamente melhorar a qualidade das formas de onda de tensão e corrente nas respectivas fases. Esta dissertação de mestrado tem por objectivo apresentar um estudo sobre o conversor multinível com díodos de ligação ao neutro (NPC – neutral point clamped), de cinco níveis utilizado como ondulador de tensão ligado à rede. O trabalho começa por desenvolver o modelo matemático do conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva interligação com a rede eléctrica. Com base no modelo do conversor são realizadas simulações numéricas desenvolvidas em Matlab-Simulink. Para controlo do trânsito de energia no conversor é utilizando controlo por modo de deslizamento aplicado às correntes nas fases. As simulações efectuadas são comparadas com resultados de simulação obtidos para um ondulador clássico de dois níveis. Resultados de simulação do conversor multinível são posteriormente comparados com resultados experimentais para diferentes valores de potências activa e reactiva. Foi desenvolvido um protótipo experimental de um conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva electrónica associada para comando e disparo dos semicondutores de potência.

Comando de ondulador de tensão trifásico por PWM e técnica U/F com implementação por microcontrolador

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Controlo directo de binário de uma máquina assíncrona trifásica

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

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.

Modulador ressonante em ponte assimétrica para alvo do ISOLDE - CERN

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Piikarbidipuolijohdekomponentit tehoelektroniikassa

Piikarbidi (SiC) on tunnettu korkealuokkaisena hioma-aineena ja hiekkapaperin pin-noitteena yli 100 vuoden ajan. Nykyisin ainetta käytetään pääasiassa puolijohteiden raaka-aineena. Piikarbidi on puolijohteena ylivoimainen tavanomaiseen piihin (Si) verrattuna lähes joka suhteessa johtuen sen kiderakenteesta, mutta sen valmistus on osoittautunut erittäin monimutkaiseksi johtuen pääasiassa vaikeudesta kasvattaa riittävän suuria ja laadukkaita SiC-kiteitä. Siksi tehoelektroniikan SiC-puolijohdekomponenttien laajamittaista käyttöä joudutaan yhä odottamaan. Tässä diplomityössä tehdään perusteellinen selvitys, miten piikarbidin valmistuspro-sessit eroavat normaaleista piin valmistusprosesseista, mitä etuja piikarbidin käytöllä saavutetaan ja vastaavasti mitä varjopuolia sillä on. Työssä selvitetään tällä hetkellä markkinoilla olevien SiC-tehopuolijohdekomponenttien ominaisuuksia, ketkä ovat teh-neet tutkimusta alalla, sekä esitetään arvioita SiC-tekniikan tulevaisuuden näkymistä.

Taajuusmuttajan vanheneminen syklisissä käytöissä

Tässä työssä tarkastellaan taajuusmuuttajan vanhenemista syklisissä käytöissä puolijohdetehokomponenttien osalta. Laitteiden vikaantumisprosessien analysoimiseksi työssä suunnitellaan syklinen kestotestausjärjestelmä, joka mahdollistaa useamman taajuusmuuttajan yhtäaikaisen vanhentamisen. Jaksottaisesti toistuvat kuormitussyklit rasittavat termomekaanisesti taajuusmuuttajan tehomoduulin sisäisiä rakenteita suurten lämpötilavaihtelujen johdosta. Teoriaosuuden pääpaino kohdistuu puolijohdetehokomponenttien rakenteeseen, vikaantumisprosesseihin ja eliniän kartoittamiseen. Työssä käydään läpi yleisimpien pienijännitteisten moottorinohjausinverttereiden tehomoduulien mekaaniset rakenteet, tyypillisemmät syklisestä kuormituksesta johtuvat vikaantumisprosessit sekä puolijohdetehokomponenttivalmistajien käyttämät syklisen eliniän testausmenetelmät. Loppuosassa työtä suunnitellaan taajuusmuuttajan syklinen kestotestausjärjestelmä laitteiden keinotekoista vanhentamista varten. Testausjärjestelmällä voidaan kuormittaa useampaa taajuusmuuttajaa vuorottain mielivaltaisella kuormitusvirtaprofiililla. Laitteita vanhennettiin kaksi testierää kuormittamalla niitä jaksottaisesti hissikäytön tyypillisellä kuormitusprofiililla. Puolijohdetehokomponentin vanhenemisen edistystä seurattiin termisen impedanssiketjun mittausmenetelmällä, joka perustuu IGBT:n kollektoriemitterijännitteen lämpötilariippuvuuteen. Testilaitteiden puolijohdetehokomponentit hajosivat syklisen eliniän päättymiseen teoriassa esitettyjen vikaantumisprosessien seurauksesta. Tehomoduulien vika-analyysi osoittaa syklisen kestotestausjärjestelmän soveltuvaksi menetelmäksi tutkia erilaisten kuormitusprofiilien vaikutusta taajuusmuuttajan vanhenemiseen.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

Retificador boost entrelaçado com elevado fator de potência e sem ponte de diodos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Um sistema eletrônico de 2kW para emulação/simulação experimental da característica estática de saída, tensão (versus) corrente, de sistemas de geração com células combustível tipo PEM

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Propellantless de orbiting of space debris by bare electrodynamic tethers

A 3-year Project started on November 1 2010, financed by the European Commision within the FP-7 Space Program, and aimed at developing an efficient de-orbit system that could be carried on board by future spacecraft launched into LEO, will be presented. The operational system will deploy a thin uninsulated tape-tether to collect electrons as a giant Langmuir probe, using no propellant/no power supply, and generating power on board. This project will involve free-fall tests, and laboratory hypervelocity-impact and tether-current tests, and design/Manufacturing of subsystems: interface elements, electric control and driving module, electron-ejecting plasma contactor, tether-deployment mechanism/end-mass, and tape samples. Preliminary results to be presented involve: i) devising criteria for sizing the three disparate tape dimensions, affecting mass, resistance, current-collection, magnetic self-field, and survivability against debris itself; ii) assessing the dynamical relevance of tether parameters in implementing control laws to limit oscillations in /off the orbital plane, where passive stability may be marginal; iii) deriving a law for bare-tape current from numerical simulations and chamber tests, taking into account ambient magnetic field, ion ram motion, and adiabatic electron trapping; iv) determining requirements on a year-dormant hollow cathode under long times/broad emission-range operation, and trading-off against use of electron thermal emission; v) determining requirements on magnetic components and power semiconductors for a control module that faces high voltage/power operation under mass/volume limitations; vi) assessing strategies to passively deploy a wide conductive tape that needs no retrieval, while avoiding jamming and ending at minimum libration; vii) evaluating the tape structure as regards conductive and dielectric materials, both lengthwise and in its cross-section, in particular to prevent arcing in triple-point junctions.