Reliability and ruggedness of high power high voltage power electronics

Krafthalvlederne, idag for det meste "Insulated Gate Bipolar Transistors" (IGBTs) utgjør nøkkelkomponentene, og er samtidig de mest sårbare komponentene i mellom- og høyeffektomformere med anvendelsesområder innen eksempelvis fornybarsektoren og for HVDC transmisjon. En viktig årsak til krafthalvledernes levetidsbegrensning er termisk utmattelse av loddefuger og elektriske termineringspunkter som følge av effektsykling, "Power Cycling" (PC), der temperaturfluktuasjoner over tid forårsaker mekanisk utmattelse og svikt. ReliPEs ambisjon er å fremskaffe metodikk som muliggjør sanntids tilstandsestimering og estimering av gjenstående tid til feil, eller til nødvendig utskifting av komponenter i drift. Får å nå dette ambisiøse målet er det utført arbeid i følgende arbeidspakker (WP): I WP1 er det utført termisk-elektriske simuleringer av en MMC-type HVDC omformer med formål å kartlegge driftsavhengig termisk stress. Resultater ble presentert i en konferansepublikasjon. Vider i WP1 er en metodikk demonstrert for sanntidsestimering av IGBTens hotspot-temperatur, gitt eksterne kjøleforhold og komponentens elektriske pådrag. Simulering av hot-spot temperaturdynamikk av en MMC testomformer bekrefter moderat temperturstress i normaldrift. En omformer for kompensering av flimmer fra en typisk smelteovnslast, og som representerer en applikasjon med vesentlig hardere PC stress, ble derfor besluttet for den videre undersøkelsen. Denne har vært gjenstand for grundige undersøkelser og demonstrasjon i WP5. Tilgjengelige PC levetidsmodeller for IGBT er som regel etablert på bakgrunn av resultater fra akselererte levetidsforsøk, der komponenten utsettes for vesentlig høyere PC belasting enn under normale driftsforhold. Et utvalg av slike levetidsmodeller er i WP2 undersøkt med henblikk på mulig gyldighet for levetidsestimering av komponenter under normale driftsforhold. To modeller har vært gjenstand for validering med basis i resultater fra testprogrammet for effektsykling i WP4. Konklusjonene er at en av modellene kan benyttes som verktøy for sanntidsestimering av PC levetid for IGBT under reelle driftsforhold. Resultater fra WP2 er publisert i en journalpublikasjon og to konferansepublikasjoner. WP3 har hovedfokus på IGBT-modulenes kortslutningsrobusthet, og da spesielt for å belyse mulige forbedringer gjennom ny teknologi så som å økt tykkelsen av emitter-metalliseringen. Hoveddelen av WP3 er utført som PhD-arbeid ved TU Chemnitz. En tidsskriftspublikasjon oppsummerer resultater fra termisk-mekaniske simuleringer. PhD-studenten forsvarte sin avhandling i mai 2018. Videre i WP3 er det undersøkt hvorvidt effektsykling påvirker IGBTens kortslutningsrobusthet. Dette gjøres ved kortslutningstesting av testobjekter som forut har vært gjennom effektsyklingsprogrammet i WP4. Resulter foreligger i en konferansepublikasjon. Hovedfokus i WP4 er et program for langtids effektsykling med sikte på å fremskaffe PC levetidsdata for IGBT-komponenter som utsettes for termisk sykling som om de opererer i reell drift. Testobjektene er komponenter som er relevante for multi-MW omformere. Fem testrunder er gjennomført for å fremskaffe tilstrekkelig statistisk underlag for levetidsmodelleringen i WP2. Videre er to testrunder gjennomført for å undersøke hvorvidt levetidsmodellene er gyldige for en kombinasjon av lave og harde stress-sykler. Slik gyldighet ble bekreftet. Til slutt ble det gjennomført en test for å undersøke hvorvidt PC levetid påvirket komponenter som tidligere hadde vært utsatt for harde kortslutningstester i WP3. I WP5 kombineres resultater fra de andre arbeidspakkene med sikte på å fremskaffe algoritmer for tilstandsestimering av komponenter i drift, og videre for estimering av restlevetid. En prototyp for sanntidsestimering av "hotspot" temperatur ble realisert. En demonstrasjon ved kjøring av en MMC labomformer viste god overenstemmelse mellom datasimuleringer (ref. WP1) og sanntidssimulatoren. Videre i WP5 ble en laboratorieomformer konfigurert for emulering av flimmer fra en smelteovnslast, samt en omformer for kompensering av slik last. Sanntidsestimering av restlevetid ved spesielt hard effektsykling av IGBT ble demonstrert. Resultater fra WP5 er formidlet i en tidsskrifts- og en konferansepublikasjon. Resultater fra WP5 vil inngå som et viktig underlag i et forslag til et nytt innovasjonsprosjekt med fokus på sanntids tilstandsovervåkning av IGBT ved bruk av såkalt "Digital Tvilling". Hovedfokus i WP6 er styrking av undervisningen ved NTNU på tema relatert til krafthalvlederers pålitelighet. Spesielt nevnes bidraget fra gjesteforskeren med fokus på realisering av en sanntidsestimator for IGBT PC levetid. Videre nevnes de nærmest kontinuerlige studentarbeidene med nær tilknytning og oppfølging fra prosjektet. Eksempelvis eksperimentelt arbeid på PC levetid for Silisiumkarbid (SIC) komponenter, hvor resultater ble presentert in en konferansepublikasjon. Alle arbeidspakkene i ReliPE er nå fullført

In ReliPE, methodologies for enabling real-time condition monitoring and estimation of time to failure or to repair for the IGBT components under live operation has been experimental validated. By that, important steps are made towards the realization of methodologies for real time condition monitoring and lifetime estimation of IGBTs under live converter operation. For the project partners, the industrialization of the results will contribute to more reliable converter product. Moreover, it is anticipated that the implementation of the proposed methodologies for online PC lifetime estimation will provide significant cost savings related to service and repair work. Especially this will have a positive impact on converters operating in the renewable energy sectors, such as offshore wind farms which are characterized by limited weather windows for service and repair. In that respect, the outcome from the project is assumed to contribute to enhancement of offshore wind power.

Conversion of electric energy by power electronic converters has an increasingly important role in all parts of the power system. A common factor for many applications is high reliability requirements caused by maintenance challenges and/or high cost of downtime. The complexity of converter systems calls for high R&D-efforts in order to improve component designs and to increase the ability to identify and predict faults. The project aims to improve the cost-efficiency of high power converter systems through increased reliability, better understanding of failure mechanisms and tools for lifetime estimation. The initial phase of the project will focus on developing a set of reference circuits and components to be used for detailed analysis. A thorough review and comparison of existing lifetime testing methods will also be performed. A contribution towards standardisation of test methods is the expected outcome of this work. Lifetime analysis of last generation IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) will be performed through a combination of power cycling tests and Finite Element analysis based on the proposed test schemes. The objective is to develop an improved and accurate lifetime model. The project will also contribute towards more robust IGBT devices. A particular focus is the behavior during and after fault conditions. The task will be based on a combination of theoretical and experimental work. The project has ambitious targets in the field of real-time condition monitoring and remaining lifetime estimation. The objective is to develop a model with the ability to online determine the remaining lifetime based on the accumulated stress in a device. Finally, the project has a dedicated work package devoted to education. The objective is to bring recent research into education in the field of physics, reliability and design of power electronics. A close co-operation between SINTEF, NTNU and Technical University of Chemnitz is planned for this task.