Исследователи из Университета Осаки разработали метод ранней диагностики будущих отказов устройств преобразования электроэнергии с использованием подсчёта сигналов акустической эмиссии, сообщает Science Daily.

 

«В исследовании, недавно опубликованном в журнале IEEE Transactions on Power Electronics, исследователи из Университета Осаки в режиме реального времени отслеживали распространение трещин в диоде Шоттки из карбида кремния во время испытаний на циклическую нагрузку по мощности. Исследователи использовали метод анализа, известный как акустическая эмиссия, который ранее не применялся для этой цели», — отметили в Science Daily.

Силовая электроника регулирует и преобразует электроэнергию. Она используется в компьютерах, системах усилителя рулевого управления, солнечных элементах и многих других технологиях. Исследователи стремятся усовершенствовать силовую электронику за счёт применения полупроводников из карбида кремния. Однако износовые отказы, такие как трещины, остаются проблемой. Чтобы помочь исследователям улучшить будущие конструкции устройств, необходимо раннее обнаружение повреждений в силовой электронике до полного отказа.

 

 

Рисунок 1. Акустическая эмиссия (АЭ) применялась для мониторинга износового отказа в дискретных диодах Шоттки с барьером из SiC (SBD) с креплением кристалла методом спекания серебра, что впервые позволило успешно отслеживать в реальном времени процесс разрушения алюминиевых лент. (a) Оптическое изображение устройства SiC-SBD. (b) СЭМ-изображение поперечного сечения. (c) Экспериментальная установка для испытаний на циклическую нагрузку по мощности и мониторинга АЭ в реальном времени. (d) Форма волны зарегистрированного сигнала АЭ и его характеристики, включая количество импульсов и амплитуду. (e) Возникновение, распространение и регистрация сигналов АЭ (то есть упругих волн) в силовой электронике во время испытания на циклическую нагрузку по мощности. Источник: Университет Осаки

 

Отслеживая возникающие повреждения диода с течением времени по мере многократного включения и выключения устройства, исследователи обнаружили прогрессирующее повреждение алюминиевых лент, прикреплённых к диоду Шоттки из карбида кремния, причём увеличение акустической эмиссии соответствовало прогрессирующему повреждению лент.

«Преобразователь переводит сигналы акустической эмиссии во время испытаний на циклическую нагрузку по мощности в измеримый электрический сигнал, — заявил в отчёте ведущий автор исследования ЧанЯнг Чхве. — Мы наблюдали импульсные (пакетные) формы волны, что согласуется с усталостным растрескиванием в устройстве».

 

Рисунок 2. После устранения фонового шума АЭ — включая переключение питания и шум окружающей среды — с помощью фильтрации шума, сигналы АЭ были успешно зарегистрированы для устройств SiC во время испытания на циклическую нагрузку по мощности. (a) Результаты анализа отказа по типу отслоения для отказавших дискретных устройств SiC-SBD после испытания на циклическую нагрузку по мощности. (b) Поперечное сечение одной алюминиевой ленты перед отказом, на которой в области соединения наблюдалось множество трещин. (c) Мониторинг с использованием только АЭ сравнивался с традиционным методом мониторинга отказов — использованием прямого напряжения во время испытания на циклическую нагрузку по мощности. Результаты показывают, что мониторинг АЭ можно использовать для понимания усталостного распространения трещин в алюминиевых лентах (то есть механизма отказа), а также в качестве раннего предупреждения перед катастрофическим разрушением по типу отслоения в устройствах силовой электроники. Источник: Университет Осаки

 

Исследователи обнаружили  резкое увеличение прямого напряжения, но только тогда, когда устройство было близко к полному отказу. Этот традиционный метод проверяет повреждение силового устройства путём мониторинга аномальных увеличений во время испытаний на циклическую нагрузку по мощности. Было установлено, что подсчёт сигналов акустической эмиссии обладает значительно большей чувствительностью. Этот метод показал тенденции в подсчёте сигналов акустической эмиссии во время испытаний на циклическую нагрузку по мощности .

«В отличие от графиков прямого напряжения, графики акустической эмиссии отражают все три стадии развития трещины, — говорит старший автор исследования Чуаньтун Чэнь. — Мы обнаружили зарождение трещины, её распространение и отказ устройства, а также подтвердили наши интерпретации с помощью микроскопической визуализации».

Ранее не существовало чувствительной системы раннего предупреждения для мониторинга усталостных трещин, способных вызвать полный отказ диодов из карбида кремния. Однако, согласно исследованию, мониторинг акустической эмиссии может стать таким решением. Использование этого метода будет способствовать исследованию причин отказа устройств из карбида кремния, что поможет усовершенствовать будущие конструкции как в стандартных, так и в передовых технологиях.