Monitorización y diseño orientado a la fiabilidad de sistemas electrónicos de potencia
- Autores: Fernando Gonzalez Hernando
- Directores de la Tesis: Manuel Arias Pérez de Azpeitia (dir. tes.), Jon San Sebastian Bengoechea (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Sebastián Zúñiga (presid.), Maria Rodriguez Rogina (secret.), Xavier Perpiñá Giribet (voc.), Arturo Fernández González (voc.), Víctor Manuel López Martín (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica por la Universidad de Oviedo y la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
- español
Los sistemas electrónicos de potencia, encargados de la conversión del formato de la energía eléctrica, se encuentran actualmente en auge debido al creciente interés en tecnologías como la movilidad eléctrica o la generación de energía. Sin embargo, su uso en infraestructuras críticas trae asociado unos rigurosos requisitos de fiabilidad, tanto en términos de vida útil como de cantidad de fallos en operación. Las cada vez más estrictas especificaciones de diseño, en términos de eficiencia y densidad de potencia, y las cada vez más severas condiciones de operación, hacen que estos requisitos de fiabilidad sean cada vez más exigentes. Con todo esto, la mejora de la fiabilidad de los convertidores electrónicos de potencia ha sufrido un creciente interés tanto por parte de la comunidad científica como por parte de la industria. Esta mejora de la fiabilidad conlleva a su vez una reducción de costes, dado el aumento de la vida útil así como los menores costes de mantenimiento asociados.
La fiabilidad de estos sistemas viene determinada por la fiabilidad de los componentes que lo forman, que a su vez depende del perfil de utilización en cada aplicación. De entre estos componentes, los dispositivos semiconductores de potencia son los más críticos en términos de fiabilidad, siendo la temperatura su principal causa de degradación. La mejora de la fiabilidad de estos componentes conlleva por tanto la mejora de la fiabilidad del sistema completo.
En este contexto, el objetivo de esta tesis se enmarca en la mejora de la fiabilidad de los dispositivos semiconductores propios de un convertidor de potencia. Para ello, se proponen distintos métodos de monitorización de estos dispositivos, que permitan identificar su degradación antes de que el fallo ocurra, en las condiciones típicas de utilización de un convertidor. Además, se analiza la vida útil de los semiconductores en un convertidor de tracción, para así poder determinar cómo le afectan las distintas variables de diseño y proponer estrategias de mejora de vida.
Dado que los fallos de los dispositivos semiconductores se producen principalmente en su encapsulado, su diseño interno define cómo se realiza su monitorización. Es por ello que se requiere un análisis del mismo, del cual resultan dos propuestas de sistemas de monitorización aptos para dispositivos construidos con un solo chip (singlechip) o que emplean varios chips en paralelo (multichip). Estos sistemas se basan en la monitorización en tiempo real de las variables de operación del dispositivo, que se emplean para la estimación de su temperatura de unión y para la detección de la degradación. Los sistemas propuestos se han integrado en prototipos de convertidor y se han probado en operación en distintos escenarios, analizando su posible implementación y validando su funcionamiento.
A continuación, en base a los estudios existentes en la literatura, se realiza un estudio de fiabilidad de los semiconductores de un convertidor de tracción de autobús eléctrico urbano, considerando distintos perfiles reales de utilización. Sobre ese estudio se extraen las métricas de fiabilidad más relevantes del sistema, y se analiza la influencia de distintas variables de diseño en dichas métricas. Finalmente, se propone una estrategia de regulación de la capacidad de refrigeración del sistema de refrigeración de los semiconductores, con el objetivo de reducir el ciclado térmico que sufren estos dispositivos dado al perfil de utilización variable típico de la aplicación.
Palabras Clave: Monitorización, Módulos Semiconductores de Potencia, Diseño Orientado a Fiabilidad, Convertidores de Potencia, Fiabilidad.
- English
Power electronic systems, in charge of the conversion of electrical power format, are currently arising due to the increasing interest in technologies such as electric mobility or renewable energy generation. However, their use in critical infrastructures brings with rigorous specifications in terms of reliability, both in terms of useful lifetime and failures in operation. The ever-increasing strict design requirements, in terms of efficiency and power density, along with the harsh environmental operating conditions, lead to more demanding requirements in terms of reliability. All in all, there has been an increasing interest in the reliability improvement of power electronic converters both from the research community and the industry. This improvement comes along with a reduction of costs, due to the enlarged useful lifetime of the system and the lower associated maintenance costs.
The reliability of power electronic systems is based on the reliability of its components, which is determined by the utilization profile in operation. Among them, power semiconductor devices are the most critical components in terms of reliability, being mainly stressed by temperature. Therefore, the reliability improvement of these components results in the reliability improvement of the power electronic system.
In this context, the main objective of this thesis is the reliability improvement of the power semiconductors in power electronic converters. To this aim, different condition monitoring methods have been proposed for these devices in order to detect the degradation before the failure takes place. Moreover, the useful lifetime of the power semiconductors in a traction converter has been analyzed, considering a typical utilization profile, in order to study the influence of different design variables and propose strategies for lifetime improvement.
Since failures in power semiconductors take place in their package, the internal design of the device defines how the monitoring can be accomplished. Therefore, its analysis is required, resulting in two proposals of condition monitoring systems for devices realized with one chip (singlechip) or with several chips in parallel (multichip). These systems are based on the real time monitoring of the operating conditions of each device, which are then employed to estimate their junction temperature and to detect their degradation. The proposed systems have been integrated in different converter prototypes and have been tested in operation in different scenarios, analyzing their possible implementation and validating their performance.
Afterwards, a study of the reliability of power semiconductor devices in a urban electric bus traction converter application is carried out, considering different application mission profiles. Based on this study, the most relevant reliability metrics of the system are extracted, and the influence of different design variables on these metrics is analyzed. Finally, a regulation strategy of the cooling capability of the cooling system of the power devices is proposed, aiming to reduce the thermal cycling of these devices caused by the typical mission profile of the application.
Keywords: Condition Monitoring, Power Semiconductor Modules, Reliability-Oriented Design, Power Converters, Reliability.
- español
