Accelerated ageing and prognostics of silicon carbide power MOSFET

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-10-08
Department
Major/Subject
ELEC3025
Mcode
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
98 + 11
Series
Abstract
The reliability investigations in power semiconductor components have traditionally concentrated on statistical analysis of the failure data in order to set regular maintenance intervals to prevent failures in the field. A more recent discipline, prognostics, in turn attempts to evaluate the current state-of-health of the device online and to predict the remaining useful life by interpreting signals of degradation. The utilization of prognostics is valuable to businesses as it enables addressing the maintenance only to the products close to failure. In this thesis we studied prognostics from the physics-based perspective in two types of silicon carbide power MOSFETs, in 11 samples in total. The components were aged in a power cycling test system to produce data of the selected failure precursor, drain-source on-state resistance. For the prognostic analysis we developed a kernel\hyp{}smoothing\hyp{}based particle filter and applied it to joint state\hyp{}parameter estimation of a selected sample. The analysis results indicated satisfactory performance regarding the estimation of the states and the parameters but revealed significant deficiencies in the prediction performance of the remaining useful life. Although the work mainly focuses on studying the power MOSFET as single component it is important to observe it also as a part of a larger entity. Therefore, at the end of the work we propose design principles for a new test system where the power MOSFET operates in a DC-DC converter. The derived precepts are based on the insight of reliability data analysis and prognostics gained during the study.

Tehopuolijohdekomponenttien luotettavuustutkimukset ovat perinteisesti keskittyneet vikadatan tilastolliseen analyysiin säännöllisten huoltovälien asettamiseksi, joilla ehkäistään kentällä tapahtuvia vikaantumisia. Prognostiikka on uudempi tiedonala, joka puolestaan pyrkii määrittämään laitteen käytönaikaisen terveydentilan ja ennustamaan jäljellä olevan elinajan tulkitsemalla signaaleja huononemista. Prognostiikan hyödyntäminen on arvokasta liiketoiminnalle, sillä se mahdollistaa huollon kohdistamisen ainostaan niille laitteille, jotka ovat lähellä vikaantumista. Tässä diplomityössä tutkimme prognostiikkaa fysiikkaan pohjautuvasta näkökulmasta kahdessa erityyppisessä piikarbiditeho-MOSFET:ssa, kokonaisuudessaan 11 näytteessä. Komponentit ikäännytettiin tehosyklaustestissä nielulähdepäälläoloresistanssidatan keräämiseksi, joka valittiin vikaantumisindikaattoriksi. Prognostista analyysia varten kehitimme ydinsilotukseen perustuvan partikkelisuodattimen, jota sovelsimme yhdistetyyn tilaparametriestimointiin valitussa näytteessä. Analyysin tulokset osoittivat tyydyttävää suorituskykyä tilan ja parametrien estimointissa mutta paljastivat merkittäviä puutteita jäljellä olevan eliniän ennustamisessa. Vaikka työ pääosin keskittyy teho-MOSFET:n tutkimiseen yksittäisenä komponenttina, on tärkeä huomioda se myös osana suurempaa kokonaisuutta. Tämän vuoksi työn lopussa esitetään suunnitteluperiaatteita uutta testausjärjestelmää varten, jossa teho-MOSFET toimii DC-DC -muuntimessa. Johdetut ohjenuorat pohjaavat työn aikana kertyneelle ymmärrykselle luotettavuusdatan analysoinnista ja prognostiikasta.
Description
Supervisor
Kyyrä, Jorma
Thesis advisor
Leppäaho, Jari
Keywords
prognostics, particle filtering, joint state-parameter estimation, kernel smoothing, silicon carbide power MOSFET, power cycling
Other note
Citation