Des chercheurs de l'Université d'Osaka ont mis au point une méthode de détection précoce permettant de tester les futures défaillances des dispositifs de conversion d'énergie électrique à l'aide du comptage des émissions acoustiques, a rapporté Science Daily.

 

«Dans une étude récemment publiée dans IEEE Transactions on Power Electronics, des chercheurs de l'Université d'Osaka ont surveillé en temps réel la propagation de fissures dans une diode Schottky en carbure de silicium lors d'essais de cyclage de puissance. Les chercheurs ont utilisé une technique d'analyse, appelée émission acoustique, qui n'avait jamais été rapportée auparavant à cette fin », a précisé Science Daily.

L'électronique de puissance régule et modifie l'énergie électrique. On la retrouve dans les ordinateurs, les systèmes de direction assistée, les cellules solaires et bien d'autres technologies. Les chercheurs cherchent à améliorer l'électronique de puissance en utilisant des semi-conducteurs en carbure de silicium. Cependant, les défaillances dues à l'usure, telles que les fissures, restent problématiques. Pour aider les chercheurs à améliorer les futures conceptions de dispositifs, une détection précoce des dommages dans l'électronique de puissance avant la défaillance complète est nécessaire.

 

 

Figure 1. L'émission acoustique (EA) a été utilisée pour surveiller la défaillance par usure de dispositifs discrets à diode Schottky à barrière SiC (SBD) avec fixation de puce par frittage d'Ag, permettant pour la première fois de suivre avec succès en temps réel la progression de la défaillance des rubans d'Al. (a) Image optique d'un dispositif SiC-SBD. (b) Image MEB en coupe transversale. (c) Dispositif expérimental pour les essais de cyclage de puissance et la surveillance EA en temps réel. (d) Forme d'onde du signal EA collecté et ses caractéristiques, y compris le comptage et l'amplitude. (e) Génération, propagation et collecte des signaux EA (c'est-à-dire des ondes élastiques) dans l'électronique de puissance lors d'un essai de cyclage de puissance. Crédit : Université d'Osaka

 

En surveillant les dommages résultants sur la diode au fil du temps, alors que les chercheurs allumaient et éteignaient le dispositif de manière répétée, ils ont constaté des dommages progressifs sur les rubans d'aluminium fixés à la diode Schottky en carbure de silicium, et que l'augmentation de l'émission acoustique correspondait aux dommages progressifs des rubans.

« Un transducteur convertit les signaux d'émission acoustique lors des essais de cyclage de puissance en une sortie électrique mesurable », a déclaré dans le rapport l'auteur principal ChanYang Choe. « Nous avons observé des formes d'onde de type rafale, cohérentes avec la fissuration par fatigue du dispositif. »

 

Figure 2. Après avoir éliminé le bruit de fond EA — y compris la commutation marche-arrêt de l'alimentation et le bruit ambiant — grâce au filtrage du bruit, les signaux EA ont été recueillis avec succès pour les dispositifs SiC lors d'un essai de cyclage de puissance. (a) Résultats de l'analyse de défaillance par décollement de dispositifs discrets SiC-SBD défaillants après un essai de cyclage de puissance. (b) Coupe transversale d'un ruban d'Al avant défaillance où de nombreuses fissures ont été observées à l'interface. (c) La surveillance EA seule a été comparée à la méthode traditionnelle de surveillance des défaillances : l'utilisation de la tension directe pendant l'essai de cyclage de puissance. Les résultats indiquent que la surveillance EA peut être utilisée pour comprendre la propagation de la fatigue dans les rubans d'Al (c'est-à-dire le mécanisme de défaillance) et également comme avertissement précoce avant une rupture catastrophique par décollement pour les dispositifs d'électronique de puissance. Crédit : Université d'Osaka

 

Les chercheurs ont constaté  une augmentation brutale de la tension directe, mais seulement lorsque le dispositif était proche de la défaillance complète. Cette méthode traditionnelle vérifie les dommages d'un dispositif de puissance en surveillant les augmentations anormales lors des essais de cyclage de puissance. Le comptage des émissions acoustiques s'est révélé beaucoup plus sensible. Cette méthode a montré des tendances dans le comptage des émissions acoustiques lors des essais de cyclage de puissance .

« Contrairement aux courbes de tension directe, les courbes d'émission acoustique indiquent les trois étapes du développement des fissures », déclare l'auteur principal senior Chuantong Chen. « Nous avons détecté l'amorçage de la fissure, sa propagation et la défaillance du dispositif, et confirmé nos interprétations par imagerie microscopique. »

Aucun système d'alerte précoce sensible n'était auparavant disponible pour surveiller les fissures de fatigue susceptibles d'entraîner une défaillance complète des diodes en carbure de silicium. Mais, selon l'étude, la surveillance par émission acoustique pourrait être la solution. L'utilisation de cette méthode contribuera à la recherche sur les causes de défaillance des dispositifs en carbure de silicium, ce qui aidera les technologies courantes et avancées à améliorer leurs futures conceptions.