大阪大学の研究者らは、アコースティック・エミッション（AE）のカウント数を用いて、電力変換装置の将来的な故障を早期段階で検査する手法を開発したと、 Science Dailyが報じた。

 

「最近発表された研究では、 IEEE Transactions on Power Electronics誌において、大阪大学の研究者らがパワーサイクル試験中に炭化ケイ素（SiC）ショットキーダイオード内のクラック（亀裂）の進展をリアルタイムで監視したことが報告されている。研究者らは、この目的でこれまで報告されたことのない、アコースティック・エミッションと呼ばれる分析手法を用いた」とScience Dailyは指摘している。

パワーエレクトロニクスは電力を制御・変換するもので、コンピューター、パワーステアリングシステム、太陽電池をはじめ、さまざまな技術に組み込まれている。研究者らは、炭化ケイ素半導体を用いてパワーエレクトロニクスの性能向上を目指している。しかし、クラックなどの摩耗故障は依然として課題となっている。将来のデバイス設計を改良するためには、完全故障に至る前の段階でパワーエレクトロニクスの損傷を早期に検知することが求められる。

 

 

図1．アコースティック・エミッション（AE）を用いて、Ag焼結ダイアタッチを備えたディスクリート型SiCショットキーバリアダイオード（SBD）デバイスの摩耗故障を監視し、Alリボンの故障進行をリアルタイムで初めて監視することに成功した。(a) SiC-SBDデバイスの光学画像。(b) 断面SEM画像。(c) パワーサイクル試験およびリアルタイムAE監視用の実験装置。(d) 収集されたAE信号の波形とその特性（カウント数・振幅を含む）。(e) パワーサイクル試験中のパワーエレクトロニクスにおけるAE信号（すなわち弾性波）の発生・伝播・収集。提供：大阪大学

 

研究者らがデバイスの電源オン・オフを繰り返す中で経時的にダイオードの損傷を監視した結果、炭化ケイ素ショットキーダイオードに接合されたアルミリボンに進行性の損傷が見られ、アコースティック・エミッションの増加がリボンの進行性損傷と対応していることが判明した。

「トランスデューサーは、パワーサイクル試験中のアコースティック・エミッション信号を測定可能な電気出力に変換する」と、筆頭著者のChanYang Choe氏は報告書で述べている。「デバイス内の疲労クラックと一致するバースト型の波形を観測した」

 

図2．電源のオン・オフ切替やアンビエントノイズを含む背景AEノイズをノイズフィルタリングによって除去した後、パワーサイクル試験中のSiCデバイスからAE信号を正常に収集することができた。(a) パワーサイクル試験後に故障したディスクリート型SiC-SBDデバイスのリフトオフ故障解析結果。(b) 界面に多数のクラックが観測された、故障前のAlリボンの断面。(c) AE単独監視を、パワーサイクル試験中の順方向電圧を用いる従来の故障監視手法と比較した。結果は、AE監視がAlリボンにおける疲労進展（すなわち故障メカニズム）の理解に利用できるとともに、パワーエレクトロニクスデバイスにおける破滅的なリフトオフ破壊の前兆となる早期警告としても利用できることを示している。提供：大阪大学

 

研究者らは  、デバイスがほぼ完全故障に達した場合に限り、順方向電圧が急激に上昇することを発見した。この従来の手法は、パワーサイクル試験中の異常な上昇を監視することでパワーデバイスの損傷を確認するものである。アコースティック・エミッションのカウント数の方がはるかに感度が高いことが判明した。この手法では、 パワー サイクル試験中のアコースティック・エミッションカウント数に傾向が見られた。

「順方向電圧のプロットとは異なり、アコースティック・エミッションのプロットはクラック進展の3つの段階すべてを示す」と、上級著者のChuantong Chen氏は述べる。「クラックの発生、クラックの進展、デバイスの故障を検出し、顕微鏡画像によってこの解釈を確認した」

これまで、炭化ケイ素ダイオードの完全故障を引き起こしうる疲労クラックを監視するための、高感度な早期警告システムは存在しなかった。しかし、今回の研究によれば、アコースティック・エミッション監視がその解決策になり得るという。この手法を用いることで、炭化ケイ素デバイスがなぜ故障するのかという研究が進み、一般的な技術および先進技術双方の将来設計の改良に役立つと期待される。