اثر دما بر ماژول‌های IGBT

استرس گرمایی – مکانیکی عموماً دلیل اصلی تخریب ماژول‌های IGBT است، بنابراین مطالعات بسیاری در زمینه‌ی بررسی اثر استرس‌های دمایی روی ماژول‌های IGBT انجام شده است، نظیر نوسان دمایی (T∆) و دمای متوسط (Tm) که توسط تست‌های چرخه قدرت تسریع شده انجام می‌شوند. تاثیر T∆ و Tm در تخریب ماژول‌های IGBT به‌ خوبی بررسی شده است اما در مورد اثر مدت‌زمان نوسان دمایی (T∆ t) مطالعات کمی کافی صورت نگرفته است.
در مطالعات اخیر، تاثیر مدت زمان پالس بار روی طول عمر چرخه توان بررسی شده است، این بررسی برای ماژول‌های قدرت بدون لحیم بر پایه تست چرخه قدرت DC بود و یک مدل طول عمر مرتبط نیز ساخته شد. در، نتیجه گیری شده است که مدت زمان پالس بار تاثیر چشم‌گیری بر طول عمر چرخه قدرت ماژول‌های IGBT دارد.

اگر چه این نوع بررسی‌های قبل دارای محدودیت‌هایی هستند و معمولاً شامل داده‌های دقیق تست و تحلیل بعد شکست نمی‌شوند. علاوه بر این نتایج آماری آزمایش را هم ندارند. مضافاً، اغلب تست‌های چرخه قدرت توسط تست چرخه قدرت DC انجام‌ شده‌اند.
در این تست‌ها، ماژول تحت آزمایش در شرایط الکتریکی واقعی کار نمی‌کند. کلید زنی، ولتاژ بالای لینک DC، تلفات دینامیک و غیره در این آزمایش‌ها وجود ندارند. همچنین ممکن است برای نوسان بالای دمایی در مدت زمانی کم به جریان اضافه باری نیاز باشد. مرجع  خطای زیادی در تائید مدل دارد که بیانگر تاثیر مدت زمان پالس بار با مبدل قدرت واقعی است.

بنابراین مطالعات بیشتری که محدودیت‌های ذکر شده را نیز در نظر بگیرد موردنیاز است. مسلماً هنوز نتایج بررسی‌های انجام شده در زمینه‌ی تاثیر شرایط عملکردی بر ماژول‌های IGBT تحت آزمایش حین تست چرخه قدرت دارای ضعف هستند و از همین رو این تاثیر یک علامت سؤال بزرگ است با این‌ حال تست چرخه قدرت تحت شرایط عملکردی واقعی‌تر الکتریکی می‌تواند عدم قطعیت را کاهش دهد، شرایطی که ممکن است از سوی دیگر پارامتر‌ها و شرایط آزمایش نتایج تست را تغییر دهند.

در این مقاله تاثیر مدت زمان نوسان دمایی پیوند روی طول عمر ماژول IGBT قدرت هوشمند (IPM) قالب ریزی شده ۳ فاز ۶۰۰ ولت، ۳۰ آمپر بررسی می‌شود. اطلاعات دقیق‌تر در مورد IPM  هدف قرار می‌گیرد.
این پژوهش بر اساس نتایج تست یک برنامه تست چرخه قدرت پیشرفته با ۳۶ نمونه تحت ۶ حالت مختلف است. تحلیل بعد شکست ماژول‌های IGBT تست‌ شده نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ صوتی روبشی (SAM) انجام می‌شود.

تست چرخه قدرت تسریع شده پیشرفته

1. برنامه تست چرخه قدرت
ساختار برنامه تست چرخه قدرت پیشرفته
2. شرایط تست
شرایط عملکردی مبدل تست در تست‌های چرخه قدرت

در ادامه این موارد را بررسی خئاهیم کرد.

1. برنامه تست چرخه قدرت

شکل. ۱ ساختار برنامه تست چرخه قدرت تسریع شده پیشرفته برای ماژول‌های قالب ریزی شده را نشان می‌دهد. دو مبدل ۳ فاز از طریق اندوکتور بار به هم متصل شده‌اند. ماژول‌های IGBT تحت آزمایش در مبدل تست استفاده می‌شوند و تحت شرایط تست دلخواه کار می‌کنند.
مبدل بار به منظور تولید ولتاژی کنترل می‌شوند که جریان خروجی دلخواه تست چرخه قدرت را به ما بدهد. این دو مبدل با یک منبع DC (VDC) و از طریق یک فیوز الکتریکی به هم متصل می‌شوند تا سیستم کلی در برابر جریان‌های زیاد حین تست محافظت شود. ولتاژ کلکتور – امیتر حالت روشن (VCE-ON) IGBT‌ها و ولتاژ فوروارد (VF) دیود‌ها توسط یک مدار اندازه‌گیری آنلاین پایش می‌شود تا از استهلاک ماژول IGBT تحت تست باخبر شویم. دو مبدل توسط یک برد کنترلی با پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) کنترل شده و اینترفیس Labview به‌ منظور مدیریت و پایش سیستم کلی با DSP در ارتباط است.
سیستم‌های خنک‌سازی آب و گرمایش خارجی به منظور ثابت نگه داشتن دمای سینک حرارتی ماژول تست حین آزمایش یا تغییر دمای سینک حرارتی به مقدار دلخواه استفاده می‌شوند.

ساختار برنامه تست چرخه قدرت پیشرفته

مزیت اصلی این رویکرد در ادامه بیان می‌شود. نخست، در مقایسه با تست چرخه قدرت DC مرسوم، تست‌های چرخه قدرت تسریع شده تحت شرایط الکتریکی واقعی‌تری نزدیک به کارکرد‌های واقعی مبدل ۳ فاز انجام می‌شوند. دوم، اعمال شرایط استرس گرمایی مختلف در دوره کوتاهی امکان‌پذیر است و تنظیم دامنه نوسان دمایی و شرایط تناوبی ساده‌تر است.

همچنین، شرایط استهلاک ماژول‌های قدرت آزمایش شده به‌صورت آنی قابل مشاهده است که موجب راحتی اجرای تست می‌شود. درنهایت، مصرف توان حین تست‌های چرخه قدرت را می‌توان پایین نگه داشت چرا که توان تولیدی بین دو مبدل در حال گردش است. به این معنا که تلفات تنها صرف دو ماژول IGBT و اندوکتور‌های بار می‌شود. بنابراین در مقایسه با تست چرخه قدرت با بار واقعی این روش مقرون به صرفه‌تر است. توضیحات دقیق‌تر برنامه تست در موجود است.

شرایط تست

تست‌های چرخه قدرت تحت ۶ حالت لیست شده در جداول مربوطه انجام می‌شوند که تقریباً T∆ و Tm یکسانی به ترتیب در حدود ۸۱ و ۱۰۲ درجه سانتی‌گراد دارند، اما مدت زمان نوسان مختلفی از ۵۹/۰ تا ۱۰ ثانیه دارند. مدت‌ زمان نوسان دمایی مختلف با تغییر فرکانس خروجی حاصل می‌شود. شرایط تست ذکر شده توسط اندازه گیری دمای یک ماژول باز شده با پوشش رنگ سیاه تائید اعتبار شده‌اند، این اندازه‌گیری با استفاده از دوربین مادون قرمز رزولوشن بالا (FLIR X8400sc) انجام شده است.

شرایط عملکردی مبدل تست در تست‌های چرخه قدرت

T∆t: مدت زمان نوسان دمایی، fOUT: فرکانس خروجی، fSW: فرکانس کلید زنی، IPEAK: جریان پیک، Vref: ولتاژ مرجع خروجی، TH: دمای سینک حرارتی، T∆: نوسان دما، Tm: دمای متوسط طول عمر B۱۰ ماژول IGBT تست شده بر اساس ۶ نتیجه مدت‌زمان نوسان دمایی مختلف IGBT پایین فاز B (TBL) به‌ عنوان وسیله استانداردی برای یافتن شرایط تست در نظر گرفته می‌شود چراکه دارای بالاترین استرس دمایی میان ۶ ماژول IGBT است. همچنین، تمامی شرایط تست در دامنه عملکردی امن (SOA) دستگاه تست قرار دارند تا از دیگر مکانیزم‌های شکستی که ممکن است به دلیل کارکرد خارج از SOA رخ دهد پیشگیری شود.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

میخواهید به بحث بپیوندید؟
مشارکت رایگان.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *