오사카대학교 연구진이 음향 방출 카운트를 이용해 전력 변환 장치의 향후 고장을 조기에 검사하는 방법을 개발했다고 Science Daily가 보도했다.

 

“최근 IEEE Transactions on Power Electronics에 게재된 연구에서 오사카대학교 연구진은 전력 사이클링 시험 중 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 내 균열의 전파를 실시간으로 모니터링했다. 연구진은 이러한 목적으로는 이전에 보고된 적이 없는 음향 방출이라는 분석 기법을 사용했다”고 Science Daily는 전했다.

전력 전자 장치는 전기를 조절하고 변환하는 역할을 하며, 컴퓨터, 파워 스티어링 시스템, 태양전지 등 다양한 기술에 사용된다. 연구진은 실리콘 카바이드 반도체를 활용해 전력 전자 장치의 성능을 향상시키고자 노력하고 있다. 그러나 균열과 같은 마모성 고장은 여전히 문제로 남아 있다. 연구진이 향후 장치 설계를 개선하는 데 도움을 주기 위해서는 완전 고장 전에 전력 전자 장치의 손상을 조기에 감지하는 것이 필요하다.

 

 

그림 1. 음향 방출(AE)을 적용해 Ag 소결 다이 접합을 사용한 개별형 SiC 쇼트키 배리어 다이오드(SBD) 소자의 마모성 고장을 모니터링했으며, 이를 통해 최초로 Al 리본의 고장 진행 상황을 실시간으로 성공적으로 모니터링했다. (a) SiC-SBD 소자의 광학 이미지. (b) 단면 SEM 이미지. (c) 전력 사이클링 시험 및 실시간 AE 모니터링을 위한 실험 장치. (d) 수집된 AE 신호의 파형과 카운트 및 진폭을 포함한 특성. (e) 전력 사이클링 시험 중 전력 전자 장치에서 AE 신호(즉, 탄성파)의 발생, 전파 및 수집. 자료 제공: 오사카대학교

 

연구진이 장치의 전원을 반복적으로 켜고 끄는 동안 다이오드에 발생하는 손상을 시간에 따라 모니터링한 결과, 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드에 부착된 알루미늄 리본에서 점진적인 손상이 발견되었으며, 음향 방출의 증가가 리본의 점진적인 손상과 일치하는 것으로 나타났다.

“변환기는 전력 사이클링 시험 중 음향 방출 신호를 측정 가능한 전기 출력으로 변환합니다,”라고 주저자인 ChanYang Choe는 보고서에서 밝혔다. “우리는 소자 내 피로 균열과 일치하는 버스트형 파형을 관찰했습니다.”

 

그림 2. 전원 온오프 스위칭 및 주변 잡음을 포함한 배경 AE 잡음을 잡음 필터링을 통해 제거한 후, 전력 사이클링 시험 중 SiC 소자에서 AE 신호를 성공적으로 수집했다. (a) 전력 사이클링 시험 후 고장난 개별형 SiC-SBD 소자의 리프트오프 고장 분석 결과. (b) 계면에서 다수의 균열이 관찰된 고장 전 Al 리본의 단면. (c) AE 단독 모니터링을 전력 사이클링 시험 중 순방향 전압을 이용하는 기존의 고장 모니터링 방법과 비교했다. 결과는 AE 모니터링이 Al 리본의 피로 전파(즉, 고장 메커니즘)를 이해하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 전력 전자 장치의 치명적인 리프트오프 파단 이전에 조기 경고로도 사용될 수 있음을 나타낸다. 자료 제공: 오사카대학교

 

연구진은  소자가 완전 고장에 가까워졌을 때에만 순방향 전압이 급격히 증가하는 것을 발견했다. 이 기존 방법은 전력 사이클링 시험 중 비정상적인 증가를 모니터링해 전력 소자의 손상을 확인한다. 음향 방출 카운트가 훨씬 더 민감한 것으로 나타났다. 이 방법은 전력 사이클링 시험 중 음향 방출 카운트의 경향을 보여주었다.

“순방향 전압 그래프와 달리, 음향 방출 그래프는 균열 발생의 세 단계를 모두 나타냅니다,”라고 수석 저자 Chuantong Chen은 말한다. “우리는 균열 개시, 균열 전파, 소자 고장을 감지했으며, 현미경 이미징을 통해 이러한 해석을 확인했습니다.”

이전에는 실리콘 카바이드 다이오드의 완전 고장을 유발할 수 있는 피로 균열을 모니터링하는 민감한 조기 경고 시스템이 존재하지 않았다. 그러나 이번 연구에 따르면 음향 방출 모니터링이 그 해법이 될 수 있다. 이 방법을 사용하면 실리콘 카바이드 소자가 고장 나는 원인에 대한 연구에 도움이 되며, 이는 일반 및 첨단 기술이 향후 설계를 개선하는 데 기여할 것이다.