Investigadores de la Universidad de Osaka han descubierto un método en etapa temprana para probar futuros fallos de los dispositivos de conversión de energía eléctrica mediante el conteo de emisiones acústicas, según informó Science Daily.

 

“En un estudio publicado recientemente en IEEE Transactions on Power Electronics, investigadores de la Universidad de Osaka monitorearon en tiempo real la propagación de grietas en un diodo Schottky de carburo de silicio durante pruebas de ciclado de potencia. Los investigadores utilizaron una técnica de análisis conocida como emisión acústica, que no se había reportado previamente para este fin”, señaló Science Daily.

La electrónica de potencia regula y modifica la energía eléctrica. Se encuentra en computadoras, sistemas de dirección asistida, celdas solares y muchas otras tecnologías. Los investigadores buscan mejorar la electrónica de potencia mediante el uso de semiconductores de carburo de silicio. Sin embargo, los fallos por desgaste, como las grietas, siguen siendo un problema. Para ayudar a los investigadores a mejorar los futuros diseños de dispositivos, es necesaria la detección temprana de daños en la electrónica de potencia antes de que se produzca un fallo total.

 

 

Figura 1. Se aplicó emisión acústica (EA) para monitorear el fallo por desgaste en dispositivos discretos de diodo Schottky de barrera de SiC (SBD) con fijación de chip mediante sinterizado de Ag, logrando por primera vez monitorear con éxito en tiempo real el progreso del fallo de las cintas de Al. (a) Imagen óptica de un dispositivo SiC-SBD. (b) Imagen SEM de sección transversal. (c) Dispositivo experimental para pruebas de ciclado de potencia y monitoreo de EA en tiempo real. (d) Forma de onda de la señal de EA recopilada y sus características, incluidos el conteo y la amplitud. (e) Generación, propagación y recopilación de señales de EA (es decir, ondas elásticas) en la electrónica de potencia durante una prueba de ciclado de potencia. Crédito: Universidad de Osaka

 

Al monitorear el daño resultante en el diodo a lo largo del tiempo mientras los investigadores encendían y apagaban repetidamente el dispositivo, encontraron un daño progresivo en las cintas de aluminio fijadas al diodo Schottky de carburo de silicio, y que el aumento de la emisión acústica correspondía al daño progresivo de las cintas.

"Un transductor convierte las señales de emisión acústica durante las pruebas de ciclado de potencia en una salida eléctrica que se puede medir", declaró en el informe el autor principal ChanYang Choe. "Observamos formas de onda de tipo ráfaga, que son consistentes con el agrietamiento por fatiga en el dispositivo".

 

Figura 2. Después de eliminar el ruido de fondo de EA —incluida la conmutación de encendido y apagado de la alimentación y el ruido ambiental— mediante el filtrado de ruido, se recopilaron con éxito señales de EA para los dispositivos de SiC durante una prueba de ciclado de potencia. (a) Resultados del análisis de fallo por despegue de dispositivos discretos SiC-SBD que fallaron tras una prueba de ciclado de potencia. (b) Sección transversal de una cinta de Al previa al fallo donde se observaron numerosas grietas en la interfaz. (c) Se comparó el monitoreo exclusivo de EA con el método tradicional de monitoreo de fallos: el uso de la tensión directa durante la prueba de ciclado de potencia. Los resultados indican que el monitoreo de EA puede utilizarse para comprender la propagación de la fatiga en las cintas de Al (es decir, el mecanismo de fallo) y también como una advertencia temprana antes de una fractura catastrófica por despegue en dispositivos de electrónica de potencia. Crédito: Universidad de Osaka

 

Los investigadores encontraron  un aumento abrupto en la tensión directa, pero solo cuando el dispositivo estaba cerca de un fallo total. Este método tradicional verifica el daño de un dispositivo de potencia monitoreando aumentos anómalos durante las pruebas de ciclado de potencia. Se encontró que el conteo de emisiones acústicas es mucho más sensible. Este método mostró tendencias en el conteo de emisiones acústicas durante las pruebas de ciclado de potencia .

"A diferencia de las gráficas de tensión directa, las gráficas de emisión acústica indican las tres etapas del desarrollo de grietas", afirma el autor principal sénior Chuantong Chen. "Detectamos el inicio de la grieta, su propagación y el fallo del dispositivo, y confirmamos nuestras interpretaciones mediante imágenes microscópicas".

Anteriormente no se disponía de un sistema de alerta temprana sensible para monitorear las grietas por fatiga que pueden causar un fallo total en los diodos de carburo de silicio. Sin embargo, según la investigación, el monitoreo por emisión acústica podría ser la solución. El uso de este método ayudará a la investigación sobre por qué fallan los dispositivos de carburo de silicio, lo que ayudará a las tecnologías comunes y avanzadas a mejorar sus futuros diseños.