I ricercatori dell'Università di Osaka hanno individuato un metodo in fase iniziale per prevedere futuri guasti nei dispositivi di conversione dell'energia elettrica utilizzando i conteggi di emissione acustica, come riportato da Science Daily.

 

“In uno studio pubblicato di recente su IEEE Transactions on Power Electronics, i ricercatori dell'Università di Osaka hanno monitorato in tempo reale la propagazione delle cricche in un diodo Schottky al carburo di silicio durante prove di ciclo di potenza. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica di analisi, nota come emissione acustica, mai riportata in precedenza per questo scopo”, ha osservato Science Daily.

L'elettronica di potenza regola e modifica l'energia elettrica ed è presente in computer, sistemi di servosterzo, celle solari e molte altre tecnologie. I ricercatori cercano di migliorare l'elettronica di potenza utilizzando semiconduttori al carburo di silicio. Tuttavia, i guasti da usura come le cricche restano problematici. Per aiutare i ricercatori a migliorare i progetti futuri dei dispositivi, è necessario un rilevamento precoce dei danni nell'elettronica di potenza prima del guasto completo.

 

 

Figura 1. L'emissione acustica (AE) è stata applicata per monitorare il guasto da usura in dispositivi discreti a diodo Schottky a barriera SiC (SBD) con attacco a die in sinterizzato di Ag, riuscendo per la prima volta a monitorare in tempo reale l'avanzamento del guasto dei nastri di Al. (a) Immagine ottica di un dispositivo SiC-SBD. (b) Immagine SEM in sezione trasversale. (c) Apparato sperimentale per le prove di ciclo di potenza e il monitoraggio AE in tempo reale. (d) Forma d'onda del segnale AE raccolto e sue caratteristiche, inclusi conteggi e ampiezza. (e) Generazione, propagazione e raccolta dei segnali AE (cioè onde elastiche) nell'elettronica di potenza durante una prova di ciclo di potenza. Credito: Università di Osaka

 

Monitorando nel tempo il danno risultante al diodo mentre i ricercatori accendevano e spegnevano ripetutamente il dispositivo, hanno riscontrato un danno progressivo ai nastri di alluminio fissati al diodo Schottky al carburo di silicio, e che l'aumento dell'emissione acustica corrispondeva al danno progressivo dei nastri.

"Un trasduttore converte i segnali di emissione acustica durante le prove di ciclo di potenza in un'uscita elettrica misurabile", ha dichiarato nel rapporto l'autore principale ChanYang Choe. "Abbiamo osservato forme d'onda di tipo burst, coerenti con la cricca da fatica nel dispositivo."

 

Figura 2. Dopo aver eliminato il rumore di fondo AE—incluso il rumore di commutazione on-off dell'alimentazione e il rumore ambientale—tramite filtraggio del rumore, i segnali AE sono stati raccolti con successo per i dispositivi SiC durante una prova di ciclo di potenza. (a) Risultati dell'analisi del guasto per distacco di dispositivi discreti SiC-SBD guasti dopo una prova di ciclo di potenza. (b) Sezione trasversale di un nastro di Al pre-guasto in cui sono state osservate numerose cricche all'interfaccia. (c) Il monitoraggio AE è stato confrontato con il metodo tradizionale di monitoraggio dei guasti: l'uso della tensione diretta durante la prova di ciclo di potenza. I risultati indicano che il monitoraggio AE può essere utilizzato per comprendere la propagazione della fatica nei nastri di Al (cioè il meccanismo di guasto) e anche come segnale di allarme precoce prima della frattura catastrofica per distacco nei dispositivi di elettronica di potenza. Credito: Università di Osaka

 

I ricercatori hanno riscontrato  un brusco aumento della tensione diretta, ma solo quando il dispositivo era prossimo al guasto completo. Questo metodo tradizionale verifica il danno di un dispositivo di potenza monitorando gli aumenti anomali durante le prove di ciclo di potenza. I conteggi di emissione acustica sono risultati molto più sensibili. Questo metodo ha mostrato tendenze nei conteggi di emissione acustica durante le prove di ciclo di potenza .

"A differenza dei grafici della tensione diretta, i grafici dell'emissione acustica indicano tutte e tre le fasi dello sviluppo della cricca", afferma l'autore senior Chuantong Chen. "Abbiamo rilevato l'innesco della cricca, la propagazione della cricca e il guasto del dispositivo, confermando le nostre interpretazioni tramite imaging microscopico."

In precedenza non era disponibile alcun sistema di allarme precoce sensibile per monitorare le cricche da fatica in grado di causare il guasto completo nei diodi al carburo di silicio. Ma, secondo la ricerca, il monitoraggio dell'emissione acustica potrebbe essere la soluzione. L'utilizzo di questo metodo contribuirà alla ricerca sulle cause di guasto dei dispositivi al carburo di silicio, aiutando le tecnologie comuni e avanzate a migliorare i progetti futuri.