Lifetime Estimation of IGBT Modules in a Winch Application
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Authors
Date
2017-10-23
Department
Major/Subject
Elkraftteknik
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
11+80
Series
Abstract
Reliable operation of IGBT modules in modern frequency converters is crucial especially for off-shore and other industrial applications where service work is troublesome to conduct or leads to high downtime costs. Unscheduled shutdown and maintenance costs can be reduced considerably by acquiring an estimate of the lifetime for the application. The purpose of this thesis is to calculate the expected lifetime of IGBT modules in a frequency converter for an off-shore winch application. The lifetime calculations are based upon inverter simulations using data obtained from a real off-shore winch application. The rainflow cycle counting algorithm is applied to extract the received temperature cycles for each semiconductor chip. A lifetime model based on common failure mechanisms in IGBT modules and calibrated with experimentally determined parameters from power and thermal cycling tests, is implemented to estimate the lifetime. Analysis of the simulation results identifies several factors influencing the lifetime, including motor pre-magnetization current, switching frequency, modulation method and minimum pulse-width limitation.IGBT-moduulien toiminta ja luotettavuus nykyaikaisissa taajuusmuuttajissa on ratkaisevaa erityisesti merellä sijaitsevissa ja muissa teollisissa sovelluksissa, joissa huoltotyö on hankala suorittaa tai johtaa korkeisiin seisokkikustannuksiin. Huoltoseisokkeja ja niiden aiheuttamia kustannuksia voidaan vähentää tuottamalla ennuste IGBT-moduulien eliniästä sovelluksessa. Tässä diplomityössä lasketaan ennuste taajuusmuuttajan IGBT-moduulien eliniälle laivalla sijaitsevassa vinssisovelluksessa. Elinikälaskennat perustuvat vaihtosuuntaajan simulaatioihin hyödyntäen kuormitusprofiilia oikeasta vinssisovelluksesta. IGBT-moduulien kullekin puolijohteelle kohdistuvat lämpötilasyklit lasketaan rainflow-syklilaskentamenetelmällä. Käyttöiän arvioimiseksi sovelletaan IGBT-moduulien yleisiin vikamekanismeihin perustuvaa elinikämallia, joka on kalibroitu IGBT-moduulivalmistajan teho- ja lämpösyklikokeista määritetyillä parametreilla. Simulaatiotuloksien tutkimisen perusteella esitetään useampia elinikään vaikuttavia tekijöitä kuten moottorin magnetointivirta, kytkentätaajuus, modulaatiomenetelmä ja pulssileveysrajoitukset.Description
Supervisor
Kyyrä, JormaThesis advisor
Raatikainen, MarkoKeywords
failure mechanism, IGBT, lifetime, modulation