Forscher der Universität Osaka haben eine Methode zur frühzeitigen Erkennung zukünftiger Ausfälle von Geräten zur elektrischen Energieumwandlung entwickelt, die auf Schallemissionszählungen basiert, wie Science Daily berichtete.

 

„In einer kürzlich in IEEE Transactions on Power Electronicsveröffentlichten Studie überwachten Forscher der Universität Osaka in Echtzeit die Ausbreitung von Rissen in einer Siliziumkarbid-Schottky-Diode während Power-Cycling-Tests. Die Forscher verwendeten dabei eine Analysetechnik namens Schallemission, die zuvor noch nicht für diesen Zweck eingesetzt worden war“, so Science Daily.

Leistungselektronik regelt und wandelt elektrische Energie um. Sie kommt in Computern, Servolenkungssystemen, Solarzellen und vielen weiteren Technologien zum Einsatz. Forscher versuchen, die Leistungselektronik durch den Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern zu verbessern. Verschleißbedingte Ausfälle wie Risse bleiben jedoch problematisch. Um Forschern zu helfen, künftige Gerätedesigns zu verbessern, ist eine frühzeitige Schadenserkennung in der Leistungselektronik vor dem vollständigen Ausfall erforderlich.

 

 

Abbildung 1. Schallemission (AE) wurde eingesetzt, um Verschleißausfälle in diskreten SiC-Schottky-Barrierendioden (SBD) mit Ag-Sinter-Die-Anbindung zu überwachen und dabei erstmals erfolgreich den Echtzeitverlauf des Ausfalls von Al-Bändern zu verfolgen. (a) Optische Aufnahme eines SiC-SBD-Bauelements. (b) Rasterelektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme. (c) Versuchsaufbau für Power-Cycling-Tests und Echtzeit-AE-Überwachung. (d) Wellenform des erfassten AE-Signals und seiner Merkmale, einschließlich Zählungen und Amplitude. (e) Entstehung, Ausbreitung und Erfassung von AE-Signalen (d. h. elastischen Wellen) in der Leistungselektronik während eines Power-Cycling-Tests. Bildnachweis: Universität Osaka

 

Durch die Überwachung des daraus resultierenden Schadens an der Diode über die Zeit, während die Forscher das Gerät wiederholt ein- und ausschalteten, stellten sie fortschreitende Schäden an den auf der Siliziumkarbid-Schottky-Diode angebrachten Aluminiumbändern fest, wobei die zunehmende Schallemission mit dem fortschreitenden Schaden an den Bändern korrespondierte.

„Ein Wandler wandelt Schallemissionssignale während der Power-Cycling-Tests in ein messbares elektrisches Ausgangssignal um“, erklärte Hauptautor ChanYang Choe im Bericht. „Wir beobachteten Burst-artige Wellenformen, die mit Ermüdungsrissbildung im Bauteil übereinstimmen.“

 

Abbildung 2. Nach Eliminierung des AE-Hintergrundrauschens – einschließlich Ein-/Ausschaltvorgängen der Stromversorgung und Umgebungsgeräuschen – durch Rauschfilterung wurden AE-Signale der SiC-Bauelemente während eines Power-Cycling-Tests erfolgreich erfasst. (a) Ergebnisse der Lift-off-Fehleranalyse ausgefallener diskreter SiC-SBD-Bauelemente nach einem Power-Cycling-Test. (b) Querschnitt eines Al-Bandes vor dem Ausfall, an dessen Grenzfläche zahlreiche Risse beobachtet wurden. (c) Die alleinige AE-Überwachung wurde mit der traditionellen Ausfallüberwachungsmethode verglichen: der Verwendung der Durchlassspannung während des Power-Cycling-Tests. Die Ergebnisse zeigen, dass die AE-Überwachung genutzt werden kann, um die Ermüdungsausbreitung in Al-Bändern (d. h. den Ausfallmechanismus) zu verstehen, und auch als Frühwarnsystem vor einem katastrophalen Lift-off-Bruch bei leistungselektronischen Bauelementen dienen kann. Bildnachweis: Universität Osaka

 

Die Forscher stellten  einen abrupten Anstieg der Durchlassspannung fest, jedoch nur, wenn das Bauteil kurz vor dem vollständigen Ausfall stand. Diese traditionelle Methode prüft Schäden an einem Leistungsbauteil, indem anomale Anstiege während der Power-Cycling-Tests überwacht werden. Die Schallemissionszählungen erwiesen sich als deutlich empfindlicher. Diese Methode zeigte Trends in den Schallemissionszählungen während der Power -Cycling-Tests.

„Im Gegensatz zu Durchlassspannungsdiagrammen zeigen Schallemissionsdiagramme alle drei Phasen der Rissentwicklung an“, sagt der leitende Autor Chuantong Chen. „Wir haben Rissbeginn, Rissausbreitung und Bauteilausfall erfasst und unsere Interpretationen durch mikroskopische Bildgebung bestätigt.“

Bislang gab es kein zuverlässiges Frühwarnsystem zur Überwachung von Ermüdungsrissen, die zum vollständigen Ausfall von Siliziumkarbid-Dioden führen können. Doch laut der Studie könnte die Schallemissionsüberwachung die Lösung sein. Der Einsatz dieser Methode wird die Erforschung der Ausfallursachen von Siliziumkarbid-Bauelementen unterstützen und dazu beitragen, gängige und fortschrittliche Technologien in ihren künftigen Designs zu verbessern.