Pesquisadores da Universidade de Osaka descobriram um método em estágio inicial para testar futuras falhas em dispositivos de conversão de energia elétrica usando contagens de emissão acústica, relatou a Science Daily.

 

“Em um estudo publicado recentemente na IEEE Transactions on Power Electronics, pesquisadores da Universidade de Osaka monitoraram em tempo real a propagação de trincas em um diodo Schottky de carboneto de silício durante testes de ciclagem de potência. Os pesquisadores utilizaram uma técnica de análise, conhecida como emissão acústica, que não havia sido relatada anteriormente para esse fim”, observou a Science Daily.

A eletrônica de potência regula e modifica a energia elétrica. Ela está presente em computadores, sistemas de direção assistida, células solares e muitas outras tecnologias. Os pesquisadores buscam aprimorar a eletrônica de potência utilizando semicondutores de carboneto de silício. No entanto, falhas por desgaste, como trincas, continuam sendo um problema. Para ajudar os pesquisadores a melhorar futuros projetos de dispositivos, é necessária a detecção precoce de danos na eletrônica de potência antes da falha completa.

 

 

Figura 1. A emissão acústica (AE) foi aplicada para monitorar falhas por desgaste em dispositivos discretos de diodo Schottky de barreira SiC (SBD) com fixação de chip por sinterização de Ag, conseguindo pela primeira vez monitorar em tempo real o progresso da falha das fitas de Al. (a) Imagem óptica de um dispositivo SiC-SBD. (b) Imagem de MEV em corte transversal. (c) Aparato experimental para testes de ciclagem de potência e monitoramento de AE em tempo real. (d) Forma de onda do sinal de AE coletado e suas características, incluindo contagens e amplitude. (e) Geração, propagação e coleta de sinais de AE (ou seja, ondas elásticas) na eletrônica de potência durante um teste de ciclagem de potência. Crédito: Universidade de Osaka

 

Ao monitorar o dano resultante no diodo ao longo do tempo, enquanto os pesquisadores ligavam e desligavam repetidamente o dispositivo, eles constataram danos progressivos nas fitas de alumínio fixadas ao diodo Schottky de carboneto de silício, e que o aumento da emissão acústica correspondia ao dano progressivo nas fitas.

"Um transdutor converte os sinais de emissão acústica durante os testes de ciclagem de potência em uma saída elétrica que pode ser medida", declarou no relatório o autor principal ChanYang Choe. "Observamos formas de onda do tipo rajada, que são consistentes com trincas por fadiga no dispositivo."

 

Figura 2. Após eliminar o ruído de fundo de AE — incluindo o chaveamento liga-desliga da alimentação e o ruído ambiente — por meio de filtragem de ruído, os sinais de AE foram coletados com sucesso para os dispositivos SiC durante um teste de ciclagem de potência. (a) Resultados da análise de falha por descolamento de dispositivos discretos SiC-SBD que falharam após um teste de ciclagem de potência. (b) Corte transversal de uma fita de Al pré-falha, onde muitas trincas foram observadas na interface. (c) O monitoramento único de AE foi comparado com o método tradicional de monitoramento de falhas: o uso da tensão direta durante o teste de ciclagem de potência. Os resultados indicam que o monitoramento de AE pode ser usado para entender a propagação da fadiga nas fitas de Al (ou seja, o mecanismo de falha) e também como um aviso precoce antes da fratura catastrófica por descolamento em dispositivos de eletrônica de potência. Crédito: Universidade de Osaka

 

Os pesquisadores constataram  um aumento abrupto na tensão direta, mas somente quando o dispositivo estava próximo da falha completa. Esse método tradicional verifica danos em um dispositivo de potência monitorando aumentos anômalos durante os testes de ciclagem de potência. As contagens de emissão acústica se mostraram muito mais sensíveis. Esse método mostrou tendências nas contagens de emissão acústica durante os testes de ciclagem de potência .

"Ao contrário dos gráficos de tensão direta, os gráficos de emissão acústica indicam as três etapas do desenvolvimento de trincas", diz o autor sênior Chuantong Chen. "Detectamos o início da trinca, a propagação da trinca e a falha do dispositivo, e confirmamos nossas interpretações por meio de imagens microscópicas."

Anteriormente, não havia disponível nenhum sistema de alerta precoce sensível para monitorar trincas por fadiga que pudessem causar falha completa nos diodos de carboneto de silício. Mas, de acordo com a pesquisa, o monitoramento de emissão acústica pode ser o caminho. O uso desse método ajudará a pesquisa sobre os motivos das falhas dos dispositivos de carboneto de silício, o que ajudará tecnologias comuns e avançadas a aprimorar projetos futuros.