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Dissertations / Theses on the topic 'IGBT module'
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Norouzian, Zahra. "Modeling of IGBT Modules with Parasitics Elements Evaluation." Thesis, Högskolan i Halmstad, Sektionen för Informationsvetenskap, Data– och Elektroteknik (IDE), 2013. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:hh:diva-23754.
Full textAbstract:
The goal of this report is the development of a PSpice based modeling platform for the evaluation of power IGBT modules to be used in HVDC and FACTS applications. The use of simulation tools is of great value in the process of developing new power electronic devices and new converter topologies. By means of this proper model platform, new design ideas and better understanding of devices behavior and related physical phenomena of the modules can be easily estimated and the outcome is reducing the demand of extensive laboratory testing. Particularly important is the choice of a proper model capable of fast simulation times and adequate accuracy, while a challenging issue is to guarantee the convergence of such models given the hard nonlinearities and multiple cross-references involved. The choice of a Spice based simulation platform consisting in a circuitously based model, allows us to evaluate the characteristics of each module as a function of parameters like a dc-voltage, load current, stray inductance and gate driving.
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Sinyan, Ensa. "Modeling of Resonances in a Converter Module including Characterization of IGBT Parasitics." Thesis, KTH, Elektrisk energiomvandling, 2013. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-133354.
Full textAbstract:
Fast switching operations in IGBTs generate electromagnetic field disturbances, which might cause EMI and functionality issues. For higher frequency characterization, the parasitic inductances and capacitances have to be considered. The characterization of the electromagnetic field disturbances in- and around the converter module could be predicted early in the design. The study involves a high frequency characterization of electric fields (Efield), magnetic fields (H-fields) and the surface currents distribution in a converter module. The high frequency electromagnetic software (CST) was used for the analysis. A given 3D CAD model of an AC/DC converter module was analyzed in CST. The CAD contained IGBT bus-bars interconnections, converter casing, heat sink and other metallic structures. The ACside has six IGBTs and the DC-side has a chopper which has two switches. The IGBTs ONstate and OFF state was modeled with lumped elements. The DC link capacitor was just modeled as lumped elements, while the metallic capacitor casing was included in the 3D model for analyzing the field distribution inside the converter casing. To check the model accuracy, CST models were compared with PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) models for simple antenna cases. Using the converter geometry, CST estimates the parasitics and the eventual current, voltage and electromagnetic field distributions for a given excitation signal. The DC-link was excited with a step pulse and the fields were computed. With consideration of specific design details, the modeling approach developed in this study, could be used to construct high frequency models of converter modules for different projects.
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Jiang, Li. "Electrical and Thermal Characterizations of IGBT Module with Pressure-Free Large-Area Sintered Joints." Thesis, Virginia Tech, 2013. http://hdl.handle.net/10919/23903.
Full textAbstract:
Silver sintering technology has received considerable attention in recent years because it has the potential to be a suitable interconnection material for high-temperature power electronic packaging, such as high melting temperature, high electrical/thermal conductivity, and excellent mechanical reliability. It should be noted, however, that pressure (usually between three to five MPa) was added during the sintering stage for attaching power chips with area larger than 100 mm2. This extra pressure increased the complexity of the sintering process. The maximum chip size processed by pressure-free sintering, in the published resources, was 6 x 6 mm2. One objective of this work was to achieve chip-attachment with area of 13.5 x 13.5 mm2 (a chip size of one kind of commercial IGBT) by pressure-free sintering of nano-silver paste.
Another objective was to fabricate high-power (1200 V and 150 A) multi-chip module by pressure-free sintering. In each module (half-bridge), two IGBT dies (13.5 x 13.5 mm2) and two diode dies (10 x 10 mm2) were attached to a DBC substrate. Modules with solder joints (SN100C) and pressure-sintered silver joints were also fabricated as the control group. The peak temperature in the process of of pressure-free sintering of silver was around 260oC, whereas 270oC for vacuum reflowing of solder, and 280oC under three MPa for pressure-sintering of silver. The process for wire bonding, lead-frame attachment, and thermocouple attachment are also recorded.
Modules with the above three kinds of joints were first characterized by electrical methods. All of them could block 1200 V DC voltage after packaging, which is the voltage rating of bare dies. Modules were also tested up to the rated current (150 A) and half of the rated voltage (600 V), which were the test conditions in the datasheet for commercial modules with the same voltage and current ratings. I-V characteristics of packaged devices were similar (on-resistance less than 0.5 mohm). All switching waveforms at transient stage (both turn-on and turn-off) were clean. Six switching parameters (turn-on delay, rise time, turn-off delay, fall time, turn-on loss, and turn-off loss) were measured, which were also similar (<9%) among different kinds of modules. The results from electrical characterizations showed that both static characterizations and double-pulse test cannot be used for evaluating the differences among chip-attach layers.
All modules were also characterized by their thermal performances. Transient thermal impedances were measured by gate-emitter signals. Two setups for thermal impedance measurement were used. In one setup, the bottoms of modules were left in the air, and in the other setup, bottoms of modules were attached to a chiller (liquid cooling and temperature controlled at 25oC) with thermal grease. Thermal impedances of three kinds of modules still increased after 40 seconds for the testing without chiller, since the thermal resistance of heat convection from bottom copper to the air was included , which was much larger than the sum of the previous layers (from IGBT junction, through the chip-attach layer, to the bottom of DBC substrate). In contrast, thermal impedances became almost stable (less than 3%) after 15 seconds for all modules when the chiller was used. Among these three kinds of modules, the module with pressure sintered joints had the lowest thermal impedance and the thermal resistance (tested with the chiller) around 0.609oK/W, In contrast, the thermal resistance was around 964oK /W for the soldered module, and 2.30oK /W for pressure-free sintered module.
In summary, pressure-free large-area sintered joints were achieved and passed the fabrication process for IGBT half-bridge module with wiring bonding. Packaged devices with these kinds of joints were verified with good electrical performance. However, thermal performances of pressure-free joints were worse than solder joints and pressure-sintered joints.Master of Science
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Rablah, Blake Kenton. "A coupled-circuit representation of IGBT module geometry for high di/dt switching applications." Thesis, University of British Columbia, 2007. http://hdl.handle.net/2429/32231.
Full textAbstract:
A coupled-circuit element representation of an IGBT module from Westcode
Semiconductors Inc. has been developed, simulated, and experimentally
confirmed at TRJUMF in Vancouver, BC. This model can be simulated in
PSpice to predict the distribution of current within the IGBT module under
high di/dt switching conditions. The goal of the simulations is to determine
if the module is an acceptable candidate for implementation in a thyratron
replacement switch for high-power pulse-power applications.
The model developed has been shown to agree well with frequency domain
measurements, and also with finite element method (FEM) simulations
and boundary element method (BEM) simulations of the device.Applied Science, Faculty of
Electrical and Computer Engineering, Department of
Graduate
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Yang, Jin. "Modeling of HVDC IGBT in Pspice : Serving an ultimate goal for converter station EMC studies." Thesis, KTH, Elektroteknisk teori och konstruktion, 2015. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-176859.
Full textAbstract:
An IGBT/diode model with more accurate characteristics than simple switchis required to serve for EMC issues from converter valve. The purpose of thismaster thesis is to develop an IGBT and diode model to achieve both accuratetransient behavior and fast simulation time during single pulse switchingtest circuit for the 4:5 kV and 2:0 kA StakPakTM IGBT module. A gate unitwhich resembles the ABB gate unit is implemented to obtain a good agreementbetween simulation and measurement. For demonstration and verication, theIGBT/diode model is applied in a simplied arm simulation of full scale ABBGeneration 4 HVDC-VSC converter station and capable of a half cell consistingof 8 series-connected IGBTs and their anti-paralleled diodes. The arm simulationresults are analyzed further for converter station EMC studies.Convergence issue is the most important problem in the whole process of modelimplementation and application. To guarantee the convergence in simulationsome characteristics such as the tail voltage at the end of turn-o is disregarded.But overall, the model is validated and adopted successfully.En IGBT-/diodmodell med mer exakta egenskaper an en enkel switch kravs foratt hantera EMC-problem fran omvandlarventilen. Syftet med denna magisteruppsatsar att utveckla en IGBT- och diodmodell for att uppna bade noggrantovergaende beteende och snabb simuleringstid under enkelpulsomkopplingstestkretsfor 4,5 kV och 2,0 kA-StakPak IGBT-modulen. En grindenhetsom liknar ABB-grindenheten implementeras for att fa god overensstammelsemellan simulering och matning. For demonstration och veriering, tillampasIGBT-/diodmodellen i en forenklad armsimulering av en fullskalig ABB Generation4 HVDC-VSC-omvandlarstation och med kapacitet for en halvcell bestaendeav 8 seriekopplade IGBT och deras anti-parallellkopplade dioder. Resultatenfran armsimuleringen analyseras vidare for EMC-studier av omvandlarstationen.Konvergensfragan ar det viktigaste problemet i hela processen for modellimplementeringoch -tillampning. For att garantera konvergensen i simulering ignorerasvissa egenskaper sasom svansspanningen vid slutet av avstangning. Mentotalt sett, valideras och antas modellen framgangsrikt.
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Rabier, François. "Modélisation par la méthode des plans d'expériences du comportement dynamique d'un module IGBT utilisé en traction ferroviaire." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2007. http://oatao.univ-toulouse.fr/7104/1/rabier.pdf.
Full textAbstract:
La conception des onduleurs de traction ferroviaire développés par Alstom Transport se base sur l'aire de sécurité de ces modules. La surtension et la vitesse de commutation des modules IGBT de forte puissance tels que ceux utilisé en traction ferroviaire peuvent être considérés comme des performances critiques dans la définition de cette aire de sécurité. La modélisation de ces performances, effectuée dans ce travail de recherche, repose sur l'utilisation des méthodes de plan d'expériences. Ces méthodes, définies comme un agencement raisonné d'essais et considérées comme l'un des outils statistiques le plus puissant développé au 20ème siècle, ont permis d'obtenir des modèles de façon empirique en n'effectuant qu'un nombre minimal d'expérimentations. Ces modèles, de forme quadratique, prennent en compte l'ensemble des facteurs préalablement jugés influents sur les performances observées et améliorent la connaissance du comportement dynamique des modules IGBT dans chacune de leurs applications. ABSTRACT : Design of the IGBT power converter developed by Alstom Transport is based on the safety area of these modules. Overvoltage and commutation speed of high power IGBT modules as these used in railway traction can be considered as critical performances in the safety area definition for these modules. In this PhD work, modelling of these performances is made using design of experiments methods. These methods can be define as reasoned organisation of array and considered as one of the most powerful statistical tool developed during the 20th century. Design of experiments allows to obtain empirical models using a minimal number of experiments. These quadratic models take into account all the influent factors on the observed performances previously identify and increase the knowledge of the dynamical behaviour of IGBTs modules in each one of its applications.
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Dabla, Essi Ahoefa. "Approche bayesienne multiéchelle pour la modélisation de la fiabilité d'un module de puissance en environnement ferroviaire." Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0102.
Full textAbstract:
Le contrôle de la fiabilité des composants électroniques critiques est un des enjeux des acteurs du secteur ferroviaire. Les modules de puissance à IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) appartiennent à cette liste de composants. Ils sont soumis à de fortes contraintes correspondant à celles rencontrées dans des environnements ferroviaires sévères. Les conditions environnementales rencontrées dans l’exploitation ferroviaire et les fortes exigences en termes de disponibilité imposent des niveaux de fiabilité élevés aux IGBT. Dans une optique d’amélioration de leur fiabilité, une méthodologie d’évaluation a été développée basée sur une approche probabiliste et supportée par un réseau bayesien. Pour la mise en place du modèle, plusieurs briques de travail ont été assemblées. En premier lieu, une approche originale nommée « Cycle en U» a été proposée mettant en évidence de façon biunivoque un niveau système associé au train et un niveau composant assimilable à l’IGBT considérés simultanément selon des vues fonctionnelles et dysfonctionnelles. Dans ce cadre, le travail a conduit, dans un premier temps, à mettre en évidence les mécanismes caractérisant, dans une logique descendante, l’influence de la sollicitation du train sur la sollicitation du composant puis, selon une logique ascendante, de l’impact dysfonctionnel de la défaillance au niveau composant sur la fiabilité du système. Dans un deuxième temps, les résultats de cette analyse ont débouché sur la mise en place de la structure d’un modèle bayesien dont le caractère générique lui permet d’être déployé pour la modélisation fiabiliste de tout type de système ferroviaire. Le travail de modélisation basé sur les réseaux bayesiens sert de support au rapprochement entre modèles analytiques (physique de défaillance) et données issues de l’utilisation du composant élémentaire dans son environnement de fonctionnement. Le modèle a été utilisé pour la modélisation de la fiabilité d’un IGBT dans un cadre d’application correspondant au métro de la ville de Chennai en Inde. Les données et connaissances expertes recueillies sur le projet ont permis de déterminer les tables de probabilités du réseau bayesien. Les résultats probabilistes du modèle ont été traduites en indicateurs de fiabilitéThe reliability control of critical electronic components is one of the challenges to be faced by railway stakeholders. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) power modules belong to this list of components. They are subject to high stresses corresponding to those encountered in harsh railway environments. The environmental conditions encountered in rail operations and the demanding availability requirements impose high levels of reliability on IGBT. In order to improve their reliability, an evaluation methodology has been developed based on a probabilistic approach and supported by a Bayesian network. For the implementation of the model, several working elements were assembled. First, an original approach called "U-Cycle" was proposed, highlighting in a one-to-one way a system level associated with the train and a component level similar to the IGBT considered simultaneously according to functional and dysfunctional views. In this context, the work led, first, to highlight the mechanisms characterizing, in a top-down logic, the influence of train loading on component stress and, in a bottom-up logic, the dysfunctional impact of the failure at component level on system reliability. In a second step, the results of this analysis led to the implementation of the structure of a Bayesian model whose generic nature allows it to be deployed for the reliable modelling of any type of rail system. The modelling work based on Bayesian networks is used to support the reconciliation between analytical models (failure physics) and data from the use of the elementary component in its operating environment. The model was used to model the reliability of an IGBT in an application framework corresponding to the metro in the city of Chennai, India. The data and expert knowledge collected on the project made it possible to determine the probability tables of the Bayesian network. The probabilistic results of the model have been translated into reliability indicators
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Reynes, Hugo. "Conception d'un module électronique de puissance pour application haute tension." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEI035.
Full textAbstract:
Satisfaire les besoins en énergie de manière responsable est possible grâce aux énergies renouvelables, notamment éoliennes et solaires. Cependant ces centres de captation d’énergie sont éloignés dans zones de consommation. Le transport de l’énergie via des réseaux HVDC (haute tension courant continu) permet un rendement et une flexibilité avantageuse face au transport HVAC (haute tension courant alternatif). Ceci est rendu possible grâce aux convertisseurs utilisant l’électronique de puissance. Les récents développements sur les semi-conducteurs à large bande interdite, plus particulièrement le carbure de silicium (SiC) offrent la possibilité de concevoir ces convertisseurs plus simples, utilisant des briques technologiques de plus fort calibre (≤ 10 kV). Cependant le packaging, essentiel à leur bon fonctionnement, ne suit pas ces évolutions. Dans cette thèse, nous explorons les technologies actuelles ainsi que les limites physique et normatives liées au packaging haute tension. Des solutions innovantes sont proposées pour concevoir un module de puissance haute tension, impactant que faiblement les paramètres connexes (résistance thermique, isolation électrique et paramètres environnementaux). Les éléments identifiés comme problématiques sont traités individuellement. La problématique des décharges partielles sur les substrats céramiques métallisés est développée et une solution se basant sur les paramètres géométriques a été testée. Le boitier standard type XHP-3 a été étudié et une solution permettant de le faire fonctionner à 10 kV à fort degré de pollution a été développéeThe supply of carbon-free energy is possible with renewable energy. However, windfarms and solar power plants are geographically away from the distribution points. Transporting the energy using the HVDC (High Voltage Direct Current) technology allow for a better yield along the distance and result in a cost effective approach compared to HVAC (High Voltage Alternative Current) lines. Thus, there is a need of high voltage power converters using power electronics. Recent development on wide bandgap semiconductors, especially silicon carbide (SiC) allow a higher blocking voltage (around 10 kV) that would simplify the design of such power electronic converters. On the other hand, the development on packaging technologies needs to follow this trend. In this thesis, an exploration of technological and normative limitation has been done for a high voltage power module design. The main hot spot are clearly identified and innovative solutions are studied to provide a proper response with a low impact on parasitic parameters. Partial Discharges (PD) on ceramic substrates is analyzed and a solution of a high Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) is given based on geometrical parameters. The XHP-3 like power modules are studied and a solution allowing a use under 10 kV at a high pollution degree (PD3) is given
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Dornic, Nausicaa. "Élaboration et comparaison de deux modèles de durée de vie des fils d’interconnexion des modules de puissance, l’un basé sur les déformations et l’autre sur les dégradations." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLN043/document.
Full textAbstract:
Dans de nombreux domaines, tels que l’industrie des transports ou bien des infrastructures, la tendance est à l’introduction toujours plus importante d’équipements électriques. De ce fait, les industriels sont de plus en plus confrontés à la nécessité de fournir des dispositifs robustes et fiables avec un minimum de maintenance. Les composants électroniques, tels que les transistors IGBTs ou MOSFETs et les diodes rassemblés dans des modules de puissance, sont au cœur de la conversion d'énergie électrique. En conséquence, ils sont soumis en opération à de fortes contraintes environnementales et fonctionnelles (température, humidité…). L’ensemble de ces contraintes a un impact sur la durée de vie des composants, et donc sur la fiabilité des dispositifs. D’un point de vue économique, le remplacement d’un équipement défectueux est moins pénalisant qu’une défaillance brutale du système. Ainsi, l’utilisation d’outils de diagnostic est nécessaire pour prédire la durée de vie restante des dispositifs en opération, et mettre en place une maintenance adaptée et efficace.Pour déterminer la durée de vie restante des modules de puissance en opération, des modèles de durée de vie sont utilisés. La plupart de ces modèles sont établis soit de manière empirique, soit de manière physique, soit de manière statistique. Les modèles empiriques sont les plus courants, car leur réalisation et implémentation sont maintenant bien connues. Ils se basent sur des résultats issus de tests de cyclage accélérés qui reproduisent les contraintes endurées par le module de puissance sous des conditions "accélérées" de fonctionnement. Une extrapolation est ensuite nécessaire pour obtenir l’état de santé du dispositif dans des conditions normales de fonctionnement. Le principal inconvénient de ces modèles réside dans le manque de description des mécanismes physiques responsables de l’endommagement. Ce manque peut mener potentiellement à des erreurs, notamment lors de l’extrapolation. C’est pourquoi les modèles basés sur la physique connaissent un intérêt grandissant.Dans cette thèse, deux modèles de durée de vie basés sur la physique et appliqués aux modules de puissance IGBTs sont proposés et comparés. La première approche est basée sur les déformations induites à l’intérieur de l’assemblage du module lorsque soumis à des contraintes thermiques. Dans ce cas, la dégradation est décrite via la quantification des déformations pour un stress thermique donné. Dans la seconde approche, le modèle de durée de vie est basé directement sur l’endommagement via l’établissement d’un modèle de dégradation. La comparaison des deux modèles met en lumière les défauts et qualités de chacun. D’une manière plus générale, l’établissement et la comparaison de ces modèles s’inscrit dans une démarche de développement d’outils de diagnostic afin de prédire la durée de vie restante des modules de puissance en opérationThe domain of power electronics reliability has become an important center of interest with the recent massive system electrification. The manufacturers are more and more confronted to the necessity of producing reliable devices with optimized maintenance. Electronics components, such as IGBTs, diodes and MOSFETs assembled in power modules, are at the center of the systems conversion, and as a consequence, are subjected to high environmental and functional stresses (ambient temperature, vibrations…). All these factors have a strong impact on the components lifetime and thus on the devices reliability. Economically, scheduling a maintenance with a system replacement is less detrimental than a brutal failure of the system. As a consequence, the use of lifetime prognostic tools is necessary. The problematic consists in the health state prediction of power modules in functioning to be able to schedule a maintenance before the failure of the equipment.To be able to determine the remaining useful lifetime of power modules in functioning, lifetime models are used. These models can either be empirical, physical or statistical. The empirical models are the most common ones, because of their easy establishment and implementation. They are based on results from accelerated power cycling tests, which reproduce the stresses endured by the power modules in severe conditions. An extrapolation is then needed to obtain the power module health state in normal functioning conditions. The main drawback of these models is the lack of description of the physical mechanisms leading to damage, resulting potentially in errors in particular during extrapolation. That’s the reason why physical models start to draw more attention.In the thesis, two physical lifetime models of IGBT power modules are proposed. The first approach is based on deformation induced inside the device assembly in operation. The degradation is in this case described by the quantification of deformation related to thermal stresses. In the second approach, the lifetime model is based directly on damage through the establishment of a degradation model. These two lifetime models are finally compared to show the benefits and disadvantages of each. More generally, the establishment and comparison of these models is part of an approach to develop diagnostic tools so that the remaining useful lifetime of power modules can be predicted in operation
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Poller, Tilo. "Thermal and thermal-mechanical simulation for the prediction of fatigue processes in packages for power semiconductor devices." Doctoral thesis, Universitätsbibliothek Chemnitz, 2015. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-154320.
Full textAbstract:
The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models. The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also derived. In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulationsFür die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann
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Frey, David. "Convertisseurs haute tension : Contribution à l'intégration de la fonction interrupteur." Phd thesis, Grenoble INPG, 2003. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00407754.
Full textAbstract:
Le développement des convertisseurs haute tension pour les applications de traction ou de distribution électrique nécessite de travailler à la fois sur la réalisation de transistors IGBT à plus forts calibres en tension et sur leur association en série. L'objectif est d'obtenir des systèmes fiables et compacts, aspects critiques dans les applications embarquées par exemple. L'étude s'intéresse à la mise en série. Son originalité repose sur une évaluation d'une large palette de solutions avec un objectif d'intégration hybride élevée. Cette intégration génère d'importantes contraintes, que ce soit électrique ou thermique, entre autres, au sein des boîtiers. Les valeurs de ces contraintes et leur degré de couplage ont été étudiés. Le travail a été mené à l'aide de simulations éléments finis couplées à des mesures ceci afin de servir de base à une aide à la conception intelligente de boîtiers dans le futur.
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Poller, Tilo. "Thermal and thermal-mechanical simulation for the prediction of fatigue processes in packages for power semiconductor devices." Doctoral thesis, Universitätsverlag der Technischen Universität Chemnitz, 2014. https://monarch.qucosa.de/id/qucosa%3A20135.
Full textAbstract:
The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential
to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development
of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models.
The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about
the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also
derived.
In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations.Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann.
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El, Khadiry Abdelilah. "Architectures de cellules de commutation monolithiques intégrables sur semi-conducteurs "bi-puce" et "mono-puce" pour convertisseurs de puissance compacts." Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01020587.
Full textAbstract:
Dans le domaine de l'intégration hybride de puissance, l'opération de câblage des dispositifs semi-conducteurs de puissance est la cause de fortes interactions électriques parasites entre les inductances de connexion, les capacités parasites par rapport au plan de masse, les dispositifs de puissance eux même et leur électronique de commande rapprochée. Ces interactions constituent une source de pollution et d'auto-perturbation EMI d'une part et un facteur de limitation des performances et de la fiabilité d'autre part. La voie de l'intégration monolithique de puissance au sein d'un même cristal constitue une approche intéressante permettant de solutionner simultanément l'ensemble des problèmes induits par l'intégration hybride. Dans ce cadre, les travaux de cette thèse visent à étudier la faisabilité d'une approche d'intégration monolithique intermédiaire où une structure générique multiphasée est décomposée et intégrée sous la forme de deux macro-puces, chacune vient intégrer un réseau d'interrupteurs multiphasés partageant au moins une électrode commune. Chaque macro-puce est un "aiguilleur de courant" déclinée en deux versions : une version "high-side" à anode commune/face arrière de la macro-puce et une version "low-side" à cathode commune/face avant de la macro-puce. Ce mode d'intégration adresse des applications de conversion d'énergie de type DC/AC, AC/DC ou encore des interrupteurs de puissance quatre segments de faible et moyenne puissance. L'étude comporte : la modélisation par simulations physiques/électriques 2D de structures de puces proposées, la validation de la fonctionnalité recherchée sur le plan semi-conducteur (structure physique) et système (circuit électrique), la réalisation de puces "prototype" en salle blanche du LAAS puis les caractérisations préliminaires sous pointes et enfin l'étude de solutions d'assemblage 2D et 3D des puces réalisées sur substrat SMI/DBC constituant à terme des modules de puissance ultra compacts. Les perspectives scientifiques à ce travail reposent sur une approche d'intégration monolithique "ultime" des cellules de commutation au sein d'une seule puce. Cette approche reposerait sur la réunion et sur un agencement original des deux aiguilleurs initialement étudiés et profite des résultats de comparaison de leurs techniques d'assemblage.
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Micol, Alexandre. "Approche probabiliste dans la conception des modules de puissance." Toulouse 3, 2007. http://www.theses.fr/2007TOU30307.
Full textAbstract:
Le principal mode de défaillance des modules de puissance IGBT est la fatigue thermomécanique. L'échauffement thermique provoque des contraintes mécaniques dues à la différence des coefficients de dilatation thermique des matériaux mis en jeu. Leur durée de vie, liée à l'énergie non élastique dissipée, dépend fortement du comportement non linéaire des matériaux. L'intérêt de ce travail réside dans l'application des méthodes fiabilistes traditionnelles au domaine de l'électronique de puissance. Une stratégie originale de modélisation éléments finis des modules est ici proposée. Puisque la défaillance s'évalue par le comportement des matériaux, une identification des lois de comportement non-linéaire de la brasure Sn/Ag3. 5 est ici faite sur des essais de relaxation et d'écrouissage. Une méthode de réponse de surface adaptative dans un environnement de calcul parallèle a été implémentée et mise en application sur plusieurs études fiabilistes électrique, thermique et mécaniqueThe major failure mode of power IGBT modules is thermo-mechanical fatigue. Thermal heating leads to mechanical stress due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the materials involved. How long they last, which is linked to dissipated inelastic energy, strongly depends on the nonlinear behaviour of materials. The interest of this work lies in the application of traditional reliability methods to the field of power electronics. We first introduce the different stochastic methods, taking into account the random behaviour of the model's data. Modelisation, used to define the limit state surface, is made of the different failure modes of power module. We present here an original strategy of finite element modelisation. Since failure is assessed by material behaviour, we identify the Sn/Ag3. 5 solder nonlinear law with relaxation and work-hardening test. An adaptive surface response method with parallel computing is implemented and applied on several reliability studies : electrical, thermal and mechanical
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Dočekal, Martin. "Návrh pohonu elektrické lokomotivy." Master's thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2014. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-220892.
Full textAbstract:
The focus of the work is the calculation and design of battery-powered drive of locomotive, operating in the sub-siding mode, ie when the locomotive is moving on the track section without the overhead line. The proposed battery groups to ensure the drive train will be installed directly into the locomotive engine room. In the theoretical part of the work there has been done the analysis of the electrical locomotives and electrical unit, which nowadays are used in the Czech Republic in driving of voltage controller with the integrated circuit. Then, in the chapter there is a brief description modern locomotives frequency convertor’s and rectifier’s function. The practical part of the work contains the necessary force and energy calculation for train moving on the determined rails. On the base of the received data, the design of battery groups has been done. These battery groups will work as an independent traction which insures the moving of the train on the determined rails. In the work the design, which consists of STEP-UP and STEP-DOWN convertors, has also been done. The power model and model management were created in Matlab Simulink programme. Data and graphs exported from the Matlab Simulink programm are determined for verifying convertor’s function, which can be found in a separate chapter. In addition to the proposal of the battery drive is at work also has been calculated loss of traction rectifier during normal operation of the locomotive, ie outside siding mode. For this calculation, in the conclusion is listed the theory of calculation of the losses incipient in the transistor and freewheeling diode of rectifier. According to the theory own calculation is performed. Subsequently the liquid cooler calculation of the rectifier is calculated.
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Duchesne, Cyrille. "Contribution à l'étude de la gradation de potentiel dans les modules de puissance haute tension." Toulouse 3, 2009. http://thesesups.ups-tlse.fr/1518/.
Full textAbstract:
L'augmentation des densités de puissance dans le domaine de la traction ferroviaire conduit aujourd'hui au développement de convertisseurs intégrés. Cette intégration n'est toutefois possible que si l'on sait dimensionner au plus juste l'ensemble des éléments qui constitue ces convertisseurs. Du point de vue de l'isolation électrique, il est donc nécessaire d'avoir une caractérisation la plus large possible de l'ensemble des matériaux isolants utilisés dans le packaging des composants de puissance ainsi qu'une bonne compréhension de leurs mécanismes de défaillances. Ces points s'avèrent d'autant plus critiques que la réduction des dimensions d'une part et l'augmentation des calibres en tension des composants d'autre part se traduisent par des contraintes de plus en plus sévères. Répartir la contrainte électrique de façon homogène est donc d'un intérêt majeur lorsqu'il s'agit de maintenir l'intégrité de ces systèmes. Le travail présenté ici consiste en une étude approfondie des problématiques liées à la gradation et en la présentation de deux solutions de gradation du potentiel, l'une utilisant des matériaux hybrides et l'autre des lignes conductrices à potentiel flottant. Différents outils théoriques et pratiques ont été développés et utilisés. Un code de calcul par éléments finis (CEF) est utilisé afin de prédire la répartition de la contrainte (potentiel et champ électrique) dans une structure de test prédéfinie. L'influence de la réfraction des équipotentielles aux interfaces de différents diélectriques est ensuite étudiée. L'utilisation d'un matériau présentant une variation non - linéaire de sa caractéristique courant tension sur la répartition homogène du champ électrique est discutée et nous montrons qu'un tel comportement n'est pas une condition nécessaire pour obtenir une réduction satisfaisante du champ électrique. Différentes méthodes permettant de caractériser ce type de matériau à travers des mesures directes de la contrainte électrique par sonde à champ nulle et indirecte par des mesures de décharges partielles sont ainsi proposées. Enfin, la gradation du potentiel en utilisant des lignes métalliques inspirées des techniques de répartition par anneaux de garde ou plaque de champ est envisagée. Une optimisation de la structure d'étude par calcul CEF est d'abord réalisée, puis la caractérisation diélectrique à travers des mesures de décharges partielles et de rupture diélectrique confirme le bien fondé de cette approcheIn railway applications, the increase of the power density leads to the development of more and more integrated inverters. This integration is only possible if each component has its own well-established design rule. Regarding the insulating materials, a wide characterisation of the different materials ensuring the packaging functions is all the more necessary that it may lead to a better understanding of their failure mechanisms. This last point will become crucial if the actual trend (decrease of the module size and increase of the component voltage level) is extended. Electrical stress grading inside the module appears therefore as a key issue to ensure the integrity of the systems. This work is a contribution to stress grading effect and different solutions are examined in details. Among others, we focus particularly on hybrid materials and floating potential conductive lines. Various tools are used and developed both from a theoretical and from a practical point of view to achieve this characterization. Finite Element Method (FEM) is used to predict the stress distribution in the structure under study. Materials presenting non-linear I(V) characteristics are characterised and their results are discussed in details. Alternative methods are also proposed to characterise them directly through the measurement of the potential distribution (thanks to a Kelvin probe) and indirectly via Partial Discharge measurements. Then, a stress grading method using floating potential conductive lines inspired by guard rings and field limiting plates is proposed. An optimisation of the structure thanks to FEM method and through a dielectric characterisation using partial discharge and dielectric strength measurements is achieved
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Höer, Martin [Verfasser]. "Indirekte Sperrschichttemperaturbestimmung von Hochspannungs-IGBT-Modulen / Martin Höer." München : Verlag Dr. Hut, 2020. http://d-nb.info/1219474827/34.
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Wang, Yalan. "Controlled switching of high power IGBT/diode modules." Thesis, University of Cambridge, 2007. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.613291.
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Xiao, Di. "On Modern IGBT Modules: Characterization, Reliability and Failure Mechanisms." Thesis, Norwegian University of Science and Technology, Department of Electrical Power Engineering, 2010. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:no:ntnu:diva-10932.
Full textAbstract:
The increased demand of offshore power conversion systems is driven by newly initiated offshore projects for wind farms and oil production. Because of long distances to shore and inaccessibility of the equipment long repair times must be expected. At the same time the offshore environment is extremely harsh. Thus, high reliability is required for the converters and it is important to have good knowledge of the switching devices. This thesis investigates switching characteristics and losses of commercially available IGBT modules to be used for this application. It focuses on switching time and switching energy losses depending on gate resistance, current and voltage levels, operation temperatures, and show differences between several devices of the same type. Some test show how device characteristics and losses when the device has been exposed to stress over a certain period.
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Joyce, John Charles. "Current sharing and redistribution in high power IGBT modules." Thesis, University of Cambridge, 2001. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.621350.
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Ciappa, Mauro P. M. "Some reliability aspects of IGBT modules for high-power applications /." Zürich, 2000. http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?type=diss&nr=13790.
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Ji, Bing. "In-situ health monitoring of IGBT power modules in EV applications." Thesis, University of Newcastle Upon Tyne, 2012. http://hdl.handle.net/10443/1474.
Full textAbstract:
Power electronics are an enabling technology and play a critical role in the establishment of an environmentally-friendly and sustainable low carbon economy. The electrification of passenger vehicles is one way of achieving this goal. It is well acknowledged that Electric vehicles (EVs) have inherent advantages over the conventional internal combustion engine (ICE) vehicles owing to the absence of emissions, high efficiency, and quiet and smooth operation. Over the last 20 years, EVs have improved significantly in their system integration, dynamic performance and cost. It has attracted much attention in research communities as well as in the market. In 2011 electric vehicle sales were estimated to reach about 20,000 units worldwide, increasing to more than 500,000 units by 2015 and 1.3 million by 2020 which accounts for 1.8 per cent of the total number of passenger vehicles expected to be sold that year. In general, electric vehicles use electric motors for traction drive, power converters for energy transfer and control, and batteries, fuel cells, ultracapacitors, or flywheels for energy storage. These are the core elements of the electric power drive train and thus are desired to provide high reliability over the lifetime of the vehicle. One of the vulnerable components in an electric power drive train is the IGBT switching devices in an inverter. During the operation, IGBT power modules will experience high mechanical and thermal stresses which lead to bond wire lift-off and solder joint fatigue faults. Theses stresses can lead to malfunctions of the IGBT power modules. A short-circuit or open-circuit in any of the power modules may result in an instantaneous loss of traction power, which is dangerous for the driver and other road users. These reliability issues are very complex in their nature and demand for the development of analytical models and experimental validation. This work is set out to develop an online measurement technique for health monitoring of IGBT and freewheeling diodes inside the power modules. The technique can provide an early warning prior to a power device failure. Bond wire lift-off and solder fatigue are the two most frequently occurred faults in power electronic modules. The former increases the forward voltage drop across the terminals of the power device while the latter increase the thermal resistance of the solder layers. As a result, bond wire lift-off can be detected by a highly sensitive and fast operating in-situ monitoring circuit. Solder joint fatigue is detected by measuring the thermal impedance of the power modules. This thesis focuses on the design and optimisation of the in-situ health monitoring circuit in an attempt to reducing noise, temperature variations and measurement uncertainties. Experimental work is carried out on a set of various IGBT power modules that have been modified to account for different testing requirements. Then the lifetime of the power module can be estimated on this basis. The proposed health monitoring system can be integrated into the existing IGBT driver circuits and can also be applied to other applications such as industrial drives, aerospace and renewable energy.
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Lhommeau, Tony. "Modes de défaillance et fiabilité des modules IGBT en contraintes aéronautiques." Toulouse, INPT, 2007. http://www.theses.fr/2007INPT008H.
Full textAbstract:
L'objectif de l'avion plus électrique est de remplacer les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électriques ce qui nécessite l'utilisation du module IGBT comme interrupteur de puissance. Ce choix pose des questions sur leur fiabilité et leur durée de vie en environnement sévère tel que la nacelle moteur (thermique, humidité,. . . ). L'étude du comportement du module IGBT en contrainte simple, cyclage thermique, humidité ainsi qu'une pré-étude sur le comportement dynamique de l'assemblage ont permis de définir les modes de défaillance critiques liés à la technologie d'assemblage (brasures). Le suivi en vieillissement du composant par analyse acoustique et électrique a permis de définir la durée de vie en cyclage de forte amplitude pour lequel la défaillance survient. Deux modèles numériques du module IGBT, thermique et thermo-mécanique nous ont permis de justifier les observations expérimentales et de prédire, à partir de loi de fatigue, la durée de vie des brasuresThe "more electrical aircraft" target is to replace hydraulics actuators by electricals actuators this is need power interruptors, IGBT module. This choice raises the reliability and durability problematics in severe environment as the motor nacelle (thermal, moisture,. . . ). The study of the IGBT module fatigue behavior in thermal cycling, moisture and the dynamic comportment study of the assembly could to define the critical failure mode link to the assembly technology (solder). The follow-up of ageing effect on the IGBT module by acoustic scan and electrical us allowed to define the life time in high level termal cycling on which the failure appear. Two IGBT module numerical models, thermal and thermo-mechanical, us allowed to justify the experimental observations and predict from fatigue law the solder life time
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Yaqub, Imran. "Investigation into stable failure to short circuit in IGBT power modules." Thesis, University of Nottingham, 2015. http://eprints.nottingham.ac.uk/30305/.
Full textAbstract:
This doctoral thesis investigates modes of failure of the IGBT power module and how these modes can be coerced from an open circuit failure mode (OCFM) to a stable short circuit failure mode (SCFM) by using different interconnect technologies and material systems. SCFM is of great importance for a number of applications where IGBT power modules are connected in series string e.g. high voltage modular multi-level converters (M2LC) where one module failing to an OCFM can shut down the whole converter. The failure modes of IGBT samples based on wirebond, flexible PCB, sandwich and press pack structured interconnect technologies have been investigated. Destructive Type-II failure test were performed which concluded that the SCFM is dependent on the energy level dissipating in the power module and the interconnect technology. The higher thermal mass and stronger mechanical constraint of the interconnect enables module to withstand higher energy dissipation. The cross-sections of the tested samples have been characterised with the scanning electron microscope and three dimensional X-ray computed tomography imaging. It was observed that the networked conductive phases within the solidification structure and the Sn-3.5Ag filled in cracks of the residual Si IGBT are responsible for low resistance conduction paths. The best networked conductive phase with lowest electrical resistance and high stability was offered by Ag if used as an intermediate interconnect material on emitter side of an IGBT. To offer a stable SCFM, a module has to be custom designed for a particular application. Hence for the applications which demand a stable SCFM, the IGBT module design becomes an integrated part of the complete power electronics system design.
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Azar, Ramy. "A novel electro-thermal IGBT model for the design and analysis of large power IGBT modules in the spice environment." Thesis, University of Cambridge, 2003. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.619985.
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Rohner, Steffen. "Untersuchung des Modularen Mehrpunktstromrichters M2C für Mittelspannungsanwendungen." Doctoral thesis, Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden, 2011. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-69311.
Full textAbstract:
Die vorliegende Arbeit behandelt den Modularen Mehrpunktstromrichter M2C, der eine aufstrebende Mehrpunktstromrichtertopologie im Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich ist. Die modulare Struktur des Stromrichters enthält in einem Stromrichterzweig eine Reihenschaltung aus identischen Submodulen (Zellen) und einer Spule. Der gesamte Stromrichter ist aus sechs Zweigen aufgebaut. Somit hängt die Anzahl der Spannungsstufen in den Leiter-Leiter-Spannungen von der zunächst beliebigen Anzahl der Submodule ab. Zur Untersuchung dieser komplexen Stromrichtertopologie werden zwei Simulationsmodelle hergeleitet: das kontinuierliche Modell und das diskrete Modell. Dafür wird das elektrische Schaltbild durch ein gewöhnliches Differenzialgleichungssystem beschrieben, wobei die Schaltzustände der Leistungshalbleiter durch sogenannte Schaltfunktionen abgebildet werden. Das kontinuierliche Modell verwendet Schaltfunktionen, die Werte in einem kontinuierlichen Intervall annehmen können. Bei Vorgabe der Zweigströme und Sternpunktspannung können die Lösungen der anderen Systemgrößen analytisch berechnet werden. Für den allgemeinen Fall ist dies numerisch möglich. Im Gegensatz dazu verwendet das diskrete Modell diskrete Schaltfunktionen. Es wird durch numerische Integrationsverfahren mit dem Schaltungssimulator MATLAB/Plecs simuliert. Eine spezielle Eigenschaft dieses Stromrichters sind seine inneren, an den Ein- und Ausgangsklemmen nicht messbaren Ströme: die sogenannten Kreisströme. Diese Stromanteile werden erstmalig mathematisch im Zeitbereich definiert und die Harmonischen hergeleitet, die sich für einen symmetrischen Betrieb des Stromrichters ergeben. Für das diskrete Modell wird eine Zweigstromregelung implementiert. Die Anfangswerte der Spulen und Kondensatoren werden durch die analytischen Gleichungen des kontinuierlichen Modells so berechnet, dass sich der eingeschwungene Zustand ergibt. Der M2C besitzt keinen großen, sondern viele verteilte Energiespeicher: die Submodulkondensatoren. Die gespeicherte Energie sollte symmetrisch verteilt sein. Dafür werden drei Möglichkeiten der Energieänderung hergeleitet und deren Effektivität gezeigt. Eine andere Untersuchung betrifft die Stromaufteilung innerhalb der Submodule auf den jeweils oberen und unteren Leistungshalbleiter. Dabei wird die Stromaufteilung für verschiedene Phasenwinkel und Kreisströme gezeigt. Der Einfluss der schwankenden Kondensatorspannungen auf die Leiter-Leiter-Spannungen sowie die Anzahl der Spannungsstufen in den Leiter-Leiter-Spannungen werden mit dem diskreten Modell untersucht. Die Genauigkeit der Simulationsmodelle wird mit Hilfe eines Prototyps des M2Cs überprüft, der von der Fa. Siemens entwickelt wurde. Es werden charakteristische Strom- und Spannungsverläufe gemessen und den simulierten Verläufen der beiden Simulationsmodelle gegenübergestellt. Die Auslegung des Leistungsteils gliedert sich in die Auslegung der Submodulkondensatoren und die der Leistungshalbleiter. Zuerst wird die Kapazität der Submodulkondensatoren auf der Grundlage von drei verschiedenen Kondensatorspezifikationen mit Hilfe eines iterativen Algorithmus minimiert. Dies wird sowohl für kreisstromfreie als auch für optimierte kreisstrombehaftete Betriebsweisen mit dem kontinuierlichen Modell durchgeführt. Im nächsten Schritt werden die Leistungshalbleiter mit dem diskreten Modell dimensioniert. Dafür wird ein Stromfaktor definiert, der eine ideale Parallelschaltung von mehreren Leistungshalbleitern beschreibt. Die Verluste, die Verlustverteilung sowie die Sperrschichttemperaturen in den Leistungshalbleitern für verschiedene Phasenwinkel zeigen das Verhalten des Stromrichters in verschiedenen ArbeitspunktenThis thesis deals with the Modular Multilevel Converter M2C, an emerging and highly attractive multilevel converter topology for medium and high voltage applications. One of the most significant benefits of the M2C is its modular structure - the converter is composed of six converter arms, where each arm consists of a series connection of identical submodules (cells) and an inductor. Thus, the number of distinct voltage levels available for the line-to-line voltages is proportional to the number of submodules, which is in principle arbitrary. For the investigation of this complex converter topology, two simulation models - a continuous model and a discrete model - are derived. For this purpose, the electrical circuit is described by a system of ordinary differential equations where the switching states of the power semiconductors are represented by the so-called switching functions. The continuous model results from the analytical solution of the differential equations with a continuous interpretation of the switching functions. In contrast, the discrete model uses discrete switching functions and is computed using numeric integration methods with MATLAB/Plecs. One aspect of particular significance with the M2C is the topic of inner currents: the so-called circulating currents. In this thesis, these current components are defined mathematically in the time domain for the first time and the harmonics of the circulating currents for symmetrical operation of the converter are derived. For the discrete model, closed-loop control of the arm currents is implemented. Initial values for the inductors and capacitors are derived using the analytical equations of the continuous model. The M2C has several distributed energy storage elements: the submodule capacitors. The stored energy must be distributed evenly amongst these capacitors. To achieve this, three methods of energy distribution are presented. Another focus of this investigation is the current sharing between the upper and lower power semiconductor within the submodules. For different load phase angles and circulating currents, the current distribution is depicted. The influence of the floating capacitor voltages on the line-to-line voltages as well as the of number of discrete voltage levels in the line-to-line voltages are investigated with the discrete model. The accuracy of the simulation models is verified by experimentation with a prototype of the M2C from the company Siemens. The experimental results are compared with simulation results from the two simulation models. The dimensioning of the power components of the elecrical circuit is divided into two parts: the first for the submodule capacitors and the second for the power semiconductors. Initially, the capacitance of the submodule capacitors are minimized by an iterative algorithm on the basis of three different capacitor specifications. This computation is done using the continuous converter model for converter operation neglecting circulating currents and with optimized circulating currents. In the next step, the power semiconductors are dimensioned using the discrete model and assuming a defined current factor, which describes the ideal parallel connection of several semiconductors. The losses, the loss distribution, and the junction temperatures in the power semiconductors for different load phase angles describe the behavior of the converter for different operating points
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Michel, Loïc. "Pilotage optimal des IGBT et commande sans-modèle des convertisseurs de puissance." Thèse, Université du Québec à Trois-Rivières, 2012. http://depot-e.uqtr.ca/5204/1/030332105.pdf.
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Debrie, Jean-Luc. "Modèle "distribué" de transistor IGBT pour simulation de circuits en électronique de puissance." Toulouse, INSA, 1996. http://www.theses.fr/1996ISAT0046.
Full textAbstract:
L'equation de diffusion ambipolaire, qui decrit la dynamique distribuee des charges dans les bases des composants bipolaires, peut etre resolue par le biais d'une analogie electrique. La these presente les fondements theoriques et la pratique de la nouvelle approche de modelisation ainsi permise, dans le cas representatif des transistors bipolaires a commande isolee (igbt). Les divers types d'igbt, a base homogene ou a couche tampon, sont pris en consideration. Le modele est valide d'un point de vue physique, les parametres de simulation etant extraits des donnees de structure et de technologie concernant les composants etudies. L'accord obtenu entre caracteristiques calculees et mesurees montre la pertinence de l'approche pour des objectifs de simulation des interactions composant-circuit en electronique de puissance.
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Zéanh, Adrien. "Contribution à l'amélioration de la fiabilité des modules IGBT utilisés en environnement aéronautique." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2009. http://oatao.univ-toulouse.fr/11959/1/zeanh.pdf.
Full textAbstract:
L’augmentation de la puissance électrique consommée à bord des avions a récemment conduit à introduire des convertisseurs électroniques de puissance à base d'interrupteurs à IGBT dans de nombreuses applications aéronautiques. L'utilisation de ces interrupteurs diffère de leurs emplois traditionnels dans les domaines du ferroviaire ou de l'automobile. En effet, les sollicitations environnementales ainsi que les cycles de commandes électriques sont différents de ceux rencontrés jusqu’alors, ce qui amène à remettre en cause les résultats actuels au sujet de la durée de vie et de la fiabilité de ces interrupteurs. Face à ces interrogations, les sociétés THALES et Hispano-Suiza se sont associées au sein du programme de l’avion plus électrique MODERNE (MODular ElectRical NEtwork) initié par Airbus, en vue de développer des solutions à haut niveau de fiabilité pour des applications aéronautiques sévères. C’est dans ce contexte que prennent place les présents travaux, dont les objectifs sont dans un premier temps de proposer de nouvelles architectures de modules susceptibles de présenter de meilleures performances d’intégration, et dans un second temps d’en étudier la fiabilité. Pour répondre à ces questions, un état de l'art des technologies utilisables a été mené. La confrontation de ses technologies aux contraintes et recommandations aéronautiques a conduit au choix de deux approches d'assemblage, proposées avec un jeu de matériaux sélectionnés pour leurs propriétés physiques et en conformité avec les réglementations sur l’utilisation de matériaux polluants. À l'issue d'une analyse de défaillances, différents développements ont été conduits afin de modéliser et caractériser le comportement thermique, mécanique puis à défaillance des modules. Des modèles Éléments Finis de structures représentatives des solutions proposées ont alors été mis au point et exploités pour l'élaboration de règles de conception, sur la base de plans d'expériences couplés à de la simulation numériques. Les informations générées ont servi à la conception de trois prototypes destinés à des applications différentes. Les performances de ces prototypes ont été évaluées, notamment leurs fiabilités obtenues par des calculs mécano-fiabilistes ayant permis l'optimisation de la conception des différents modules.
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Buschendorf, Martin [Verfasser]. "Untersuchungen zur Reihenschaltung von 4,5-kV-Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Modulen / Martin Buschendorf." München : Verlag Dr. Hut, 2020. http://d-nb.info/121947116X/34.
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Ebke, Thomas [Verfasser]. "Untersuchungen an IGBT-Modulen zur Reduktion von Degradationsprozessen im Packaging von Leistungshalbleitern / Thomas Ebke." Aachen : Shaker, 2003. http://d-nb.info/1172611718/34.
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Bünsow, Björn [Verfasser]. "Verhalten von 600 V IGBT-Modulen 2. und 3. Generation bei Stoßbelastungen / Björn Bünsow." München : Verlag Dr. Hut, 2015. http://d-nb.info/107643729X/34.
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Belmehdi, Yassine. "CONTRIBUTION A L'IDENTIFICATION DE NOUVEAUX INDICATEURS DE DEFAILLANCE DES MODULES DE PUISSANCE A IGBT." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00988332.
Full textAbstract:
L'électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L'exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l'état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive.
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El, Ghazouani Mohamed. "Conception d'une plate-forme flexible de vieillessement haute température pour modules IGBT sous contraintes." Montpellier 2, 2006. http://www.theses.fr/2006MON20198.
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Belmehdi, Yassine. "Contribution à l'identification de nouveaux indicateurs de défaillance des modules de puissance à IGBT." Thesis, Bordeaux 1, 2011. http://www.theses.fr/2011BOR14258/document.
Full textAbstract:
L’électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L’exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l’état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictivePower electronics has a role increasingly growing up in transport:electric and hybrid vehicles, trains and aircraft. For these applications, security is a critical point, thus the reliability of the power assembly must be optimized. The knowledge of time to failure is very important information for the designers of these systems. Inthis context, an early failure indicator would predict system failuresbefore it becomes effective. In this thesis, we focused on the electromechanical characterization of power transistors: MOSFET and IGBT. Based on these results this electromechanical characterization should help us in the longer term, to highlight an early failure indicator of the power assembly
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Kudláček, Pavel. "Síťový napájecí modul pro servopohon." Master's thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2020. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-413059.
Full textAbstract:
The aim of the diploma thesis is to theoretically design and to put the mains power supply module for two-axis servo amplifier TZG 560 with the total power 28kW for the company TG Drives into practice. The analytical design of the power part with the braking circuit, the calculation of power components’ heat balance, EMI filter design and realization of measuring, controlling and indication circuits are described in the thesis. In addition, the mechanical device construction, structure of the controlling program and the results obtained in the verification process of the module functionality are presented.
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Smet, Vanessa. "Aging and failure modes of IGBT power modules undergoing power cycling in high temperature environments." Thesis, Montpellier 2, 2010. http://www.theses.fr/2010MON20075/document.
Full textAbstract:
Cette thèse a pour objet l'étude de la fiabilité de modules de puissance triphasés à IGBTs 200 A - 600 V, destinés à la construction d'onduleurs de traction pour des applications automobiles hybrides ou électriques. Ces travaux visent à évaluer la tenue de ces modules de puissance en régime de cyclage thermique actif à hautes température, en mettant l'accent sur leur résistance à la fatigue thermomécanique. Deux approches complémentaires ont été mises en oeuvre dans ce but: tests de vieillissement accéléré et modélisation numérique. Une compagne d'essais de vieillissement par cyclage actif a été menée avec des profils de température variés, définis par la température ambiante et la variation de température de jonction des IGBTs, utilisés comme facteurs d'accélération des contraintes. Au cours de ces tests, les composants ont électriquement fonctionné dans des conditions semblables à une application réelle (commande MLI). L'objectif était d'identifier les modes de défaillance, d'estimer l'influence des facteurs d'accélération du vieillissement, et d'évaluer la pertinence des indicateurs de défaillance classiques dans ces conditions de stress thermiques sévères. Aussi, afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance responsables de la fatigue de l'assemblage des modules considérés, une modélisation thermomécanique visant à déterminer l'impact des modèles de comportement mécanique sur la durée de vie estimée des brasures, a été développée. La réponse de l'assemblage à des contraintes de cyclage actif similaires à celles appliquées durant les essais a été évaluée par analyse numérique. Les différentes lois de comportement ont été comparées en termes de contraintes, déformations plastiques, et densité d'énergie plastique dans les brasuresThis thesis is dedicated to reliability investigations led on three-phase 200~A~--~600~V IGBT power modules, designed for building drive inverters for hybrid or electric automotive traction applications. The objective was to evaluate the durability of the studied modules when they withstand power cycling in high temperature environments, and especially their resistance to thermo-mechanical fatigue. Two complementary approaches were considered: accelerated aging experiments and numerical modeling.A series of power cycling tests was carried out over a large range of temperature profiles, defined by the ambient temperature and IGBT junction temperature excursion. These quantities are used as thermal stress acceleration factors. Those experiments were led in realistic electrical conditions (PWM control scheme). They aimed at identifying the failure modes of the target devices, assessing the impact of the acceleration factors on their aging process, and evaluating the suitability of standard aging indicators as damage precursors in such harsh loading conditions. Besides, to better understand the failure mechanisms governing the fatigue life of the modules assembly, a thermo-mechanical modeling focusing on solder joints was built. Our simulation efforts concentrated on the appraisal of constitutive modeling effects on solder joints lifetime estimation. Numerical analysis of the assembly response to power cycling in similar operating conditions as practiced in experiments were performed. Behavior laws were then compared on stress, plastic strain, and strain energy density developed within the joints
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Weber, Simon [Verfasser], Axel [Akademischer Betreuer] Mertens, and Regine [Akademischer Betreuer] Mallwitz. "Beitrag zur Zustandsüberwachung von IGBT-Modulen mit temperatursensitiven Parametern / Simon Weber ; Akademische Betreuer: Axel Mertens, Regine Mallwitz." Hannover : Technische Informationsbibliothek (TIB), 2018. http://d-nb.info/116959719X/34.
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Weber, Simon Verfasser], Axel [Akademischer Betreuer] [Mertens, and Regine [Akademischer Betreuer] Mallwitz. "Beitrag zur Zustandsüberwachung von IGBT-Modulen mit temperatursensitiven Parametern / Simon Weber ; Akademische Betreuer: Axel Mertens, Regine Mallwitz." Hannover : Technische Informationsbibliothek (TIB), 2018. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:101:1-2018102211480646221189.
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Amimi, Adel. "Modèle électro-thermique unidimensionnel du transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) pour la simulation de circuits de puissance." Rouen, 1997. http://www.theses.fr/1997ROUES033.
Full textAbstract:
Dans le domaine de l'électronique de puissance, où l'environnement et le mode de fonctionnement du composant jouent un rôle primordial, nous constatons que les aspects thermiques doivent être évalués de la même manière que les aspects strictement électriques. Cela suppose entre autres que la température interne des composants doit pouvoir évoluer comme toutes les grandeurs électriques. Dans ce contexte, nous avons développé un modèle analytique du transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) prenant en compte les interactions électro-thermiques dans le composant, en associant au modèle électrique du composant un réseau thermique. Pour cela, deux solutions de complexité différentes ont été envisagées pour l'élaboration du modèle thermique. La première approche (cellulaire) est basée sur l'analogie électrique-thermique. En effet, la propagation du flux de chaleur dans le composant est modélisée par un réseau cellulaire RTH(I) - CTH(I) dont les caractéristiques sont déterminées à partir de l'impédance thermique transitoire ZTH du composant. La seconde approche (dite mixte), fondée sur la résolution à une dimension de l'équation de diffusion de la chaleur, utilise un calcul plus précis de la température dans la couche de silicium, tout en conservant une représentation à base de cellules RTH-CTH pour l'ensemble du boîtier et de l'environnement. Le modèle électro-thermique ainsi développé est implanté en langage MAST dans le simulateur de circuits Saber.
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Helsper, Martin [Verfasser]. "Analyse und Verbesserung des Verhaltens von Planar- und Trench-IGBT-Modulen in hart bzw. weich schaltenden Applikationen / Martin Helsper." Aachen : Shaker, 2004. http://d-nb.info/1170545084/34.
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Dbeiss, Mouhannad. "Mission Profile-Based Accelerated Ageing Tests of SiC MOSFET and Si IGBT Power Modules in DC/AC Photovoltaic Inverters." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAT020/document.
Full textAbstract:
Dans le cas des installations photovoltaïques, l’onduleur est le premier élément défaillant dont il est difficile d’anticiper la panne, et peu d’études ont été faites sur la fiabilité de ce type de convertisseur. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils et méthodes en vue d'étudier le vieillissement des modules de puissance dans ce type d'application en se focalisant sur les phénomènes de dégradation liés à des aspects thermomécaniques. En règle générale, le vieillissement accéléré des modules de puissance est effectué dans des conditions aggravées de courant (Cyclage Actif) ou de température (Cyclage Passif) pour accélérer les processus de vieillissement. Malheureusement, en appliquant ce type de vieillissement accéléré, des mécanismes de défaillances qui ne se produisent pas dans la vraie application peuvent être observés et, inversement, d'autres mécanismes qui se produisent habituellement peuvent ne pas apparaître. La première partie de la thèse se focalise donc sur la mise en place d'une méthode de vieillissement accéléré des composants semi-conducteurs des onduleurs photovoltaïques. Cela est fait en s’appuyant sur l’analyse des profils de mission du courant efficace de sortie des onduleurs et de la température ambiante, extraits des centrales photovoltaïques situées au sud de la France sur plusieurs années. Ces profils sont utilisés pour étudier les dynamiques du courant photovoltaïque, et sont introduites dans des modèles numériques pour estimer les pertes et les variations de la température de jonction des semi-conducteurs utilisés dans les onduleurs, en utilisant l’algorithme de comptage de cycles "Rainflow". Cette méthode est ensuite mise en œuvre dans deux bancs expérimentaux. Dans le premier, les composants sous test sont des modules IGBT. Les composants sont mis en œuvre dans un banc de cyclage utilisant la méthode d'opposition et mettant en œuvre le profil de vieillissement défini précédemment. Un dispositif in-situ de suivi d'indicateurs de vieillissement (impédance thermique et résistance dynamique) est également proposé et évalué. Le deuxième banc est consacré à l'étude de modules de puissance à base de MOSFET SiC. Le vieillissement est effectué dans les mêmes conditions que pour les modules IGBT et de nombreux indicateurs électriques sont monitorés mais, cette fois ci, en extrayant les composants de l'onduleur de cyclage. Les résultats obtenus ont permis de déterminer des indicateurs de vieillissement d’IGBT et de MOSFET SiC utilisés dans un onduleur photovoltaïqueIn the case of photovoltaic installations, the DC/AC inverter has the highest failure rate, and the anticipation of its breakdowns is still difficult, while few studies have been done on the reliability of this type of inverter. The aim of this PhD is to propose tools and methods to study the ageing of power modules in this type of application, by focusing on ageing phenomena related to thermo-mechanical aspects. As a general rule, the accelerated ageing of power modules is carried out under aggravated conditions of current (Active Cycling) or temperature (Passive Cycling) in order to accelerate the ageing process. Unfortunately, when applying this type of accelerated ageing tests, some failure mechanisms that do not occur in the real application could be observed, while inversely, other mechanisms that usually occur could not be recreated. The first part of the PhD focuses on the implementation of an accelerated ageing method of the semiconductor devices inside photovoltaic inverters. This is accomplished by analyzing the mission profiles of the inverter’s output current and ambient temperature, extracted over several years from photovoltaic power plants located in the south of France. These profiles are used to study photovoltaic current dynamics, and are introduced into numerical models to estimate losses and junction temperature variations of semiconductors used in inverters, using the cycle counting algorithm “Rainflow”. This method is then performed in two experimental test benches. In the first one, the devices under test are IGBT modules, where the accelerated ageing profile designed is implemented using the opposition method. Moreover, an in-situ setup for monitoring ageing indicators (thermal impedance and dynamic resistance) is also proposed and evaluated. The second bench is devoted to study the ageing of SiC MOSFET power modules. The accelerated ageing test is carried out under the same conditions as for the IGBT modules with more monitored electrical indicators, but this time by disconnecting the semiconductor devices from the inverter. The results obtained allowed to determine several potential ageing indicators of IGBTs and SiC MOSFETs used in a photovoltaic inverter
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Hamidi, Amina. "Contribution à l'étude des phénomènes de fatique thermique des modules IGBT de forte puissance destinés aux applications de traction." Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 1998. http://www.theses.fr/1998INPL050N.
Full textAbstract:
La récente introduction de la technologie d'intégration hybride des modules IGBT de forte puissance daris les chaînes de traction, là où les thyristors et thyristors GTO à boîtiers pressés sont classiquement utilisés, a amené des interrogations quant à sa tenue aux cycles thermiques caractéristiques du domaine des transports. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse avaient pour objectif d'apporter une contribution à la compréhension des mécanismes qui régissent la défaillance des modules IGBT dans l'environnement de la traction en passant par la connaissance des paramètres qui accélèrent le vieillissement ainsi que des indicateurs de défaillance ; ceci avec le soucis d'aboutir à une loi estimant la durée de vie des modules en fonction de leurs conditions d'utilisation. Le problème a été abordé avec une approche expérimentale d'essais accélérés de vieillissement associés à des analyses technologiques ainsi qu'à des analyses de défaillance. Une méthode de mesures locales de température sur les surfaces des pastilles de silicium a été validée et a permis de localiser et d'évaluer les contraintes thermiques les plus importantes dans des conditions de cyclage thermique de puissance. Une modélisation ou comportement thermique des assemblages des modules, au moyen du logiciel LAASTHERM, a alors été possible grâce à un recalage et une évaluation par les résultats expérimentaux. Des modélisations locales par éléments finis ont également été réalisées, elles ont permis d'estimer les contraintes thermomécaniques aux interfaces les plus sensibles. Nous nous sommes finalement attachés à proposer un modèle empirique de fatigue tenant compte des principaux accélérateurs de vieillissement identifiés, mais sa mise en œuvre et sa validation n'ont pas été possibles pendant la durée de la thèse car elles nécessitent un nombre considérable de résultats d'essais accélérésThe recent use of the hybrid integration technology of high power IGBT modules in traction applications instead of the classically used presspacked thyristors or GTOs introduced new questions conceming the reliability of the modules' packaging when subjected to the traction thermal cycles. The aim of this thesis is to contribute to understand the failure mechanisms of IGBT modules in traction environment. Therefore, a good knowledge of the aging accelerators and the failure indicators is indispensable. The long term goal of the study is to help to find a law expressi11g the modules life time as a function of their working conditions. To treat the problem, we chose an experimental approach consisting in power cycling accelerated tests and technological and failure analysis. We validated a contact temperature measurement method on silicon chips surface which was used to localize and evaluate the highest thernial stress in power cycling conditions. These measurements made it possible to evaluate a thermal model of the modules packaging using LAASTHERM software. A local thermomechanical modeling of the modules with the finite element method was also achieved and provided the mechanical stress in the weakest interfaces of the packaging. We finally proposed an empirical aging model but we didn't get enough experimental data to validate it
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Tounsi, Mohamed. "Cyclage actif en mode MLI des modules de puissance IGBT application des SVM pour le diagnostic des défauts de vieillissement thermique." Caen, 2011. http://www.theses.fr/2011CAEN2082.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur la mise en œuvre d’un classifieur SVM (Séparateur à Vaste Marge) pour le diagnostic automatique de défauts de vieillissement thermique de composants de puissance IGBT à base de mesures électrothermiques. Cela a nécessité le développement d’un banc d’essai de cyclage actif de modules IGBT pour la caractérisation de leur fatigue thermique, l’analyse des dégradations engendrées dans leur assemblage ainsi qu’à la classification de leur mode de fonctionnement, en mode « sain » et en mode « dégradé». La stratégie de cyclage thermique adoptée, vise à reproduite les contraintes imposées aux composants durant un fonctionnement réel. Nous avons suivi d’une part, les paramètres statiques et dynamiques des modules pour détecter d’éventuelles dérives, et d’autre part des paramètres électrothermiques indicateurs de dégradations thermomécaniques dans leur assemblage. Le stress thermique a causé principalement une avance dans les commutations à la fermeture et à l’ouverture ainsi qu’une apparition d’une trainée de courant à l’ouverture. Une analyse de défaillance a permis de révéler un décollement de fils de bonding, une dégradation de la brasure puce/substrat et une reconstruction des surfaces des métallisations d’émetteur et de grille. Le classifieur SVM construit, permet de discerner un mode de fonctionnement dégradé d’un mode de bon fonctionnement des composants, en vue de la mise en œuvre d’une maintenance préventive dans des installations électriques où la continuité de service et la sécurité revêtent une importance capitaleThe work concerns the implementation of an SVM classifier (Support Vector Machine) for an automatic diagnosis of power IGBT module thermal ageing defects, based on thermoelectric measurements. This has required the development of an active cycling test bench for the characterization of the thermal tiredness of IGBT modules, the analysis of the degradations generated in their assembly, and the classification of their operating mode : in " healthy " mode and " degraded " mode. The strategy adopted for the thermal cycling, aims to reproduce the constraints imposed on the components during their real operation. We followed the module static and dynamic parameters in order to detect possible drifts, and thermoelectric parameters used as criteria of thermo-mechanical degradations in their assembly. The thermal stress caused mainly, earlier switching-on and switching-off modes and appearance of a tile-current. A failure analysis has revealed, in the component assembly, bond-wire lift-off, solder layer degradation, and surface dislocation of the gate and emitter metallizations. The implemented SVM classifier, allows to distinguish between an IGBT degraded operating mode and a healthy operating mode, for a preventive maintenance in electric installations where the continuity of service and safety are very important
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Rashed, Amgad. "Mise en oeuvre de protocoles de vieillissement accélérés dédiés à l'étude de composants de puissance à semi-conducteur type "IGBT" en régime de cyclage actif." Thesis, Montpellier 2, 2014. http://www.theses.fr/2014MON20153/document.
Full textAbstract:
Les transistors IGBT sont les composants semi-conducteurs de puissance les plus couramment utilisés dans les fonctions de l'électronique de puissance. Ils sont fréquemment assemblés dans des modules contenant plusieurs puces et réalisant l'interconnexion à la fois électrique et thermique avec l'environnement. Dans de nombreuses applications, ces modules sont soumis à un cyclage thermique actif généré par les variations du régime de fonctionnement du système. Ceci est à l'origine de différentes dégradations d'origine thermomécaniques pouvant mener à la défaillance. Les tests de vieillissement sont l'un des moyens permettant de mieux comprendre les mécanismes de dégradations en imposant des conditions de stress connues mais également de construire des modèles de fiabilité comportementaux utiles dans l'estimation de durée de vie des systèmes.Le présent travail décrit la mise en œuvre d'une méthode de test originale destinée à des modules IGBT de la gamme 600V-200A et basée sur l'utilisation d'onduleurs fonctionnant en modulation de largeur d'impulsion. Elle exploite la variation de température de jonction provoquée par cette modulation pour générer un cyclage thermique d'une fréquence très supérieure (2Hz à 10Hz) à celles habituellement utilisées pour ce type de test. Ceci permet de réduire considérablement la durée de ces tests et d'accéder à des gammes basses de l'amplitude des cycles thermiques.Les essais de vieillissement imposent de suivre l'évolution de paramètres indicateurs afin d'estimer régulièrement l'état des composants testés et d'appliquer des conditions d'arrêt. Le paramètre utilisé dans le présent travail est la tension VCE des IGBT, qui est un bon révélateur de l'état des fils de bondings, maillons faibles de ces modules. En complément du développement de la méthode de cyclage proprement-dite, un dispositif de suivi automatique du paramètre VCE a été développé afin de limiter la durée des phases de caractérisations correspondantes. Ce dispositif permet également de mesurer la température de jonction de façon indirecte et de reconstruire le profil de température dynamique pendant le cyclage.Cet ensemble a permis d'obtenir des résultats exploitables sur une trentaine d'échantillons avec des amplitudes de cycle comprises entre 30°C et 50°C. Ils mettent en évidence un seul type de dégradation, la fissuration des attaches entre les fils de bonding et la métallisation d'émetteur avec, dans certains cas, le décollement complet du fil (lift-off). Des essais à différentes fréquences de cyclage pour la même amplitude ont été réalisés sur un groupe de ces échantillons. Si le nombre d'échantillons consacrés à comparaison n'est pas encore réellement suffisant, les résultats obtenus sont similaires et semblent donc démontrer que la fréquence de test n'impacte pas le mode de vieillissement dans la gamme de température étudiée. Cette observation est une première validation de la pertinence de la méthode proposée qui permet de réduire d'un facteur cinq à dix les durées de testIGBT transistors are the most used power semiconductor devices in power electronics and are often integrated in power modules to constitute basic switching functions. In various applications, IGBT power modules suffer thermal cycling (or power cycling) due to variations of operating conditions. This power cycling induces thermo mechanical stress that can lead to damages and then, to failures. Ageing tests are a means to identify and analyze the degradation mechanisms due to power cycling by imposing calibrated test conditions. In addition, their results can be used to establish empiric lifetime models that are useful for power converter designers.The present work describes the implementation of an ageing test method dedicated to IGBT modules operating in the 600V-200A range. This method takes advantage of particular operating conditions generated by pulse width modulation inverters in which the IGBT modules to be tested are introduced. The modulation induces a variation of IGBT die temperature, i.e. a power cycling, of which the frequency is significantly higher (2Hz to 10Hz) than the operating frequencies of classical test systems. By using this technique, the test length is reduced while low values of thermal amplitude can be reached.Throughout the ageing tests, the monitoring of ageing indicators is required to evaluate the sample health and to stop the operation when predefined conditions are reached. In the present work, the ageing indicator is the on-state voltage VCE across the IGBT device that is relevant in regard with wire bond degradations. Therefore, as a complement of the fast test method, an automated VCE monitoring system has been developed in order to fully take benefit of the high test-speed. In addition, this system is able to measure the junction temperature and to provide the temperature profile during the power cycling.This test bench has made possible the ageing process of three dozen of samples by applying thermal swing amplitudes in the 30°C-50°C range, that is not reachable with classical test benches operating in low frequency because of the unacceptable test length. The results show that only one kind of damage is generated by the present test conditions, i.e. the degradation of attaches between the emitter metallization and the wire bonds. In many case, complete lift-off have been observed. Some samples have been used to evaluate the influence of thermal swing frequency on the results. The latter are unchanged when the frequency varies between 2Hz and 0.2Hz, therefore it is a first validation of the fast test relevance
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Wintrich, Arendt. "Verhaltensmodellierung von Leistungshalbleitern für den rechnergestützten Entwurf leistungselektronischer Schaltungen." Doctoral thesis, Universitätsbibliothek Chemnitz, 1998. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-199800237.
Full textAbstract:
Zielstellung dieser Arbeit ist es, Methodik und Verfahren zur Modellierung von Leistungshalbleitern
zu erarbeiten, um die Verfügbarkeit und Handhabbarkeit dieser Modelle für die Schaltungsanalyse zu
erhöhen. Ausgangspunkt ist eine Analyse der Anforderung und ein Vergleich mit den gegebenen ökonomischen
und fachlichen Möglichkeiten. Im Ergebnis wird ein hierarchischer Aufbau von Verhaltensmodellen
befürwortet. Die zur Modellrealisierung benötigten Techniken werden vorgestellt. Das erarbeitete
Verfahren zur verhaltensbeschreibenden Modellierung erfordert eine am Modellumfang orientierte
Wahl der Beschreibungssprache und zeichnet sich durch Verwendung von Datenblattangaben zur
Parametrisierung und geringem Simulationszeitbedarf der Modelle aus. Für diskrete Einzelhalbleiter
werden physikalisch interpretierbare Ersatzschaltungen auf Grund ihrer hoher Anschaulichkeit und
der erreichbaren Portabilität der Modelle bevorzugt, komplexere Modelle mit Steuer- und
Schutzeinrichtungen sind mit Zustandsbeschreibungen zu kombinieren. Der allgemeingültige Ansatz ist
auf beliebige Leistungshalbleiter anwendbar und wird ausführlich anhand des IGBT, von Smart-Power-Elementen
und anderer Bauelemente dargelegt.
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Lale, Adem. "Architectures d'intégration mixte monolithique-hybride de cellules de commutation de puissance sur puces multi-pôles silicium et assemblages optimisés." Thesis, Toulouse 3, 2017. http://www.theses.fr/2017TOU30174/document.
Full textAbstract:
Actuellement, le module de puissance (convertisseur de puissance) standard hybride 2D est la technologie de référence qui domine le marché de la moyenne et de la forte puissance. Ce dernier se présente sous la forme d'un boitier à multi-puces discrètes. Les puces à semi-conducteur sont reliées entre elles par des faisceaux de wire-bonding (câblage par fils) pour former des cellules de commutation. La technologie d'interconnexion wire-bonding présente une grande maturité technologique, et ses modes de défaillance sont bien connus aujourd'hui. Toutefois, cette technologie est un facteur limitant en termes de performances électrique et thermomécanique, d'intégrabilité tridimensionnelle et de productivité. Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer et d'étudier de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance très intégrés. Comparée à la technologie hybride, dite de référence, les architectures proposées visent à un degré d'intégration plus poussé, avec un effort d'intégration partagé et conjoint au niveau semi-conducteur (intégration monolithique) et au niveau assemblage (intégration hybride). L'intégration monolithique consiste à intégrer les interrupteurs formant les cellules de commutation dans de nouvelles architectures de puces, passant ainsi de la notion de puce dipôle à celle de macro-puce multi-pôle. L'intégration hybride repose sur le développement de nouvelles technologies de report et d'assemblage de ces macro-puces. Pour valider les trois nouvelles architectures d'intégrations proposées, la démarche a consisté dans un premier temps à étudier et valider le fonctionnement des nouvelles puces par des simulations SentaurusTM TCAD. Ensuite, les puces multi-pôles ont été réalisées en s'appuyant sur la filière IGBT disponible dans la plateforme de micro-fabrication du LAAS-CNRS. Pour finir, les puces ont été reportées sur des cartes PCB, afin de réaliser des circuits de conversions prototypes. La maille de commutation très intégrée proposée présente une inductance parasite inférieure au nanohenry, ce qui est remarquable comparée à ce qui est présenté dans l'état de l'art (env. 20 nH)Currently, the standard 2D hybrid power module (power converter) is the reference technology for the medium and high power market. This hybrid power module is a discrete multi-chip case. The semi-conductor chips are interconnected by wire-bonding to form switching cells. The wire-bonding interconnection technology is a limiting factor in terms of electrical and thermomechanical performances, three-dimensional integrability and productivity. The aim of this thesis is to study new architectures of very integrated power converters. Compared to the so-called hybrid reference technology, the proposed architectures aim at a greater degree of integration, with an integration at both the semi-conductor level (monolithic integration) and the packaging level (hybrid integration). Monolithic integration consists in integrating switching cells into new multi-terminal macro-chip architectures. Hybrid integration consists in developing of new technologies to assemble these macro-chips. To validate the different proposed integration architectures, the first step was to study and validate the operating modes of the new chips by SentaurusTM TCAD simulations. Then, the multi-terminal chips were realized in the micro and nanotechnology platform of LAAS-CNRS laboratory. Finally, the chips were bonded on PCB substrates to realize power converter circuit prototypes. The highly integrated switching loop presents a stray inductance loop lower than one nanohenry, wich is an important improvement as compared to the values reported in literature (about 20 nH)
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Bouarroudj-Berkani, Mounira. "Etude de la fatigue thermo-mécanique de modules électroniques de puissance en ambiance de températures élevées pour des applications de traction de véhicules électriques et hybrides." Phd thesis, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00346572.
Full textAbstract:
Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude de la fatigue thermomécanique de modules IGBT onduleurs intégrés de puissance 600V-200A destinés à des applications de traction automobile électrique et hybride. Nous avons cherché à évaluer la tenue de ces modules aux contraintes de cyclages (actif et passif) sous températures ambiantes élevées. Ainsi, la première partie de cette thèse présente les tests expérimentaux réalisés en cyclage actif durant lesquels nous avons cherché à évaluer la tenue des modules IGBT (600V-200A) fonctionnant à différentes températures ambiantes (température de semelle) et différentes températures de jonction (température des puces). Afin de chercher à comprendre les mécanismes physiques mis en jeu dans la dégradation de l'assemblage, les essais ont été arrêtés rapidement dès lors qu'un indicateur de défaillance laissait supposer une initiation de processus de dégradation.
Dans la deuxième partie, nous nous sommes focalisés sur la tenue des brasures substrat/semelle dans des conditions de cycles thermiques passifs. Sachant qu'habituellement le facteur d'accélération retenu pour le vieillissement de ces brasures est l'amplitude des cycles thermiques, nous avons cherché dans cette partie à évaluer non seulement l'effet de l'amplitude des cycles thermiques mais aussi les niveaux des paliers haut et bas sur l'initiation des fissures dans ces brasures et leurs propagation au cours du cyclage.
Enfin, pour comprendre et analyser le comportement de la brasure et de l'assemblage sous les contraintes de cycles thermiques, une étude par simulation numérique est présentée dans la dernière partie. Une étude numérique effectuée sous des conditions de température similaires à celles imposées dans la partie expérimentale a permis de localiser et d'évaluer les contraintes thermomécaniques que subissent les éléments de l'assemblage. Surtout, nous donnons des éléments de réponse permettant d'établir un lien entre les paramètres thermiques du cyclage passif et les grandeurs physiques qui sont influent sur la durée de vie des brasures. Enfin, cette partie se termine sur une étude numérique dans laquelle nous avons cherché à simuler l'effet combiné des cyclages actifs et passifs sur les contraintes mécaniques au sein des modules IGBT afin de rendre compte des contraintes imposées aux modules dans une application réelle.
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Krug, Dietmar. "Vergleichende Untersuchungen von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für Mittelspannungsanwendungen." Doctoral thesis, Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden, 2017. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-216245.
Full textAbstract:
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertetThe thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail
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Sow, Amadou Tidiane. "Evaluation de la fiabilité d'un générateur à rayons X pour application médicale." Thesis, Bordeaux, 2014. http://www.theses.fr/2014BORD0120/document.
Full textAbstract:
Les systèmes d’imagerie médicale, principalement les systèmes à rayons X, sont devenus incontournables dans le diagnostic et le traitement des maladies complexes. Le générateur à rayons X fait partie des sous-systèmes critiques d’un système à rayons X. La technologie des générateurs à rayons X se complexifie et les contraintes vues par les composants augmentent. L’évaluation de la fiabilité du générateur à rayons X est par conséquent nécessaire afin d’optimiser la durée de vie de ce dernier. Dans ces travaux de thèse, une méthodologie d’évaluation de la fiabilité d’un générateur à rayons X est proposée. La méthodologie repose sur l’évaluation de la fiabilité allant du composant au système. Des essais de vieillissement sont d’abord réalisés au niveau des composants critiques du générateur afin d’identifier les mécanismes de défaillance et de construire les courbes de durée de vie permettant d’effectuer une prévision de fiabilité. Les paramètres du recueil de fiabilité FIDES ont aussi été utilisés pour construire les courbes de durée de vie des composants critiques. Une méthode de prévision de la fiabilité basée sur l’hypothèse du dommage cumulé avec la règle de Miner est proposée pour évaluer la durée de vie des composants critiques sous contraintes thermomécaniques. Cette méthode utilise les règles de comptage rainflow pour obtenir une distribution des différences de température vues par les composants critiques. Une association de fiabilité permet enfin d’estimer la durée de vie de chaque sous système du générateur à rayons X à travers ses composants critiquesMedical imaging systems, mainly X-rays imaging systems, have become essential in the diagnosis and treatment of complex diseases. X-rays generator is one of the critical subsystems of a medical system. Its technology became more complex and constraints seen by the components increase. An assessment of X-rays generator reliability is therefore necessary to optimize its lifetime. In this thesis, a reliability assessment method of an X-rays generator is proposed. The methodology is based on the assessment of the reliability from component to system. Aging tests are first performed for X-rays generator critical components in order to identify failure mechanisms and build lifetime curves for performing reliability prediction. FIDES guide parameters were also used to construct critical components lifetime curves. A reliability prediction method based on the assumption of cumulative damage with Miner's rule is proposed to evaluate critical components lifetime under thermomechanical stresses. This method uses rainflow counting rules for the temperature cycles distribution of critical components. A reliability block diagram is finally used to estimate the lifetime of each X-ray generator subsystem through its critical components