Lämpötilan vaihteluiden vaikutukset vaihtosuuntaajan IGBT-moduuliin (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Abstract

Lämpötilan vaihtelut aiheuttavat vaurioita taajuusmuuttajan toiminnan kannalta kriittisessä IGBT-moduulissa. Kun vauriomekanismien syntyyn ja etenemiseen liittyvät fysikaaliset ilmiöt tunnetaan, voidaan niiden vaikutuksia pienentää erilaisten valmistusteknisten ratkaisujen avulla.

Tässä työssä tutkitaan lämpötilan vaihteluiden vaikutuksia IGBT-moduuliin. Huomiota kiinnitetään erityisesti tiettyyn ABB Drivesin valmistamaan taajuusmuuttajatyyppiin, jonka tuotantomäärät ovat suuret. Tutkittava materiaali koostuu pääasiassa asiakkaan luona vikaantuneista moduuleista, joista etsitään lämpötilan vaihteluiden aiheuttamia vauriomekanismeja akustisen mikroskopian sekä vetokokeiden avulla. Myös muita tutkimusmenetelmiä esitellään. Tutkimuksen tuloksena saadaan tietoa moduuleiden vikaantumisiin johtaneista juurisyistä sekä tutkittujen vauriomekanismien käyttäytymisestä todellisissa kenttäolosuhteissa.

Moduulin eliniän reaaliaikainen ennustaminen on taajuusmuuttajavalmistajan kannalta erittäin toivottava ominaisuus, jota nykyiset taajuusmuuttajat eivät sisällä. Tässä työssä esitellään menetelmä, jonka avulla moduulin kokema lämpötilakuormitus voidaan rekisteröidä ja moduulin odotettavissa oleva elinikä laskea. Menetelmälle esimerkkitapausten avulla tehdyt testit antavat lupaavia tuloksia.

Fluctuating temperatures incur failure mechanisms on the IGBT-module, which is a critical component of a frequency converter. When the physical phenomena behind the emergence and progression of these mechanisms are known, their effects can be reduced by various solutions related to the manufacturing process of the module.

In this thesis, the effects of temperature fluctuation on the IGBT module are investigated. A special focus is placed on a frequency converter type with high production volumes, manufactured by ABB Drives. The modules under investigation have failed during operation at field and they are investigated in order to detect the failure mechanisms caused by temperature fluctuation. This investigation is carried out by means of acoustic microscopy and pull-tests. Other investigation methods are also introduced. As a result, information on the root causes of the failures is gained. Information is also obtained on the behavior of the investigated failure mechanisms in real life field conditions.

Real-time prognosis of the module lifetime is a feature that is highly desired by the frequency converter manufacturer, and it is not included in present converters. In this thesis, a method for registering the temperature profile of the module and for calculating an estimation for the module lifetime is suggested. Functionality of the method was tested with promising results.