A study on the field failures of certain diode bridge rectifiers

Abstract

A power supply manufacturer had experienced field failures of three-phase diode bridge rectifier modules. The modules seemed to lose their ability to withstand voltage. In this thesis, the rectifier modules used by the power supply manufacturer were studied. The power supply manufacturer delivered a total of 35 unused rectifier modules and 50 used field returns. The modules were of three different case types. The objectives of the study were to detect any differences in breakdown voltages or in structure between the case types and to identify possible failure mechanisms of the breakdown.

The breakdown voltages of the diodes were measured with a power device analyzer and the internal structure was examined using 2D and 3D X-ray imaging, cross sectioning, an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Multiple differences were discovered. Case type 3 modules had clearly the highest breakdown voltage values. Case types 1 and 2 had lower breakdown voltage values and they also had problems like permanent breakdowns and gradually decreasing breakdown voltages. Three distinctly different internal structures were discovered and also the chemical composition had differences between the three case types. The cross sectioning also revealed cracks and heat damage in some case type 1 and 2 diodes. In conclusion, it could be stated that there has been some significant imperfections with the layout or with the manufacturing process of case type 1 and 2 rectifier modules.

Eräs teholähdevalmistaja oli kokenut diodisiltatasasuuntaajien vikaantumisia kentällä. Tasasuuntaajat menettivät jännitekestonsa. Tässä diplomityössä tutkittiin teholähdevalmistajan käyttämiä tasasuuntaajamoduuleja. Teholähdevalmistaja toimitti yhteensä 35 käyttämätöntä tasasuuntaajaa ja 50 käytettyä kentältä palautettua tasasuuntaajaa. Tasasuuntaajissa oli kolmea erilaista kotelointitapaa. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää mahdolliset erot kotelointitapojen läpilyöntijännitteissä ja rakenteessa, sekä tunnistaa läpilyöntiin johtavat vikaantumismekanismit.

Diodien läpilyöntijännitteet mitattiin puolijohdeanalysaattorilla ja tasasuuntaajamodulien rakennetta tutkittiin 2D- ja 3D-röntgenlaitteilla, poikkileikkaamalla, optisella mikroskoopilla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja energiadispersiivisellä röntgenspektrometrillä (EDS). Kotelointitavoilla 1 ja 2 oli selvästi alhaisemmat läpilyöntijännitteet kuin kotelointitapa 3:lla. Kotelointitavoissa 1 ja 2 havaittiin myös lievästi alenevia läpilyöntijännitteitä sekä peruuttamattomia läpilyöntejä, jotka tiputtivat läpilyöntijännitteen kerralla alle kymmenekseen edellisestä mittauksesta. Kotelointitavat edustivat kolmea selvästi erilaista rakennetta ja myös kemiallisessa koostumuksessa oli eroja kotelointitapojen välillä. Poikkileikkaukset paljastivat rakenteellisten erojen lisäksi halkeamia ja lämpövaurioita joissakin kotelointitapojen 1 ja 2 diodeissa. Yhteenvetona voidaan todeta, että kotelointitapojen 1 ja 2 tasasuuntaajamoduulien rakenteessa tai valmistusprosessissa on ollut joitakin merkittäviä puutteita, jotka ovat vaikuttaneet tasasuuntaajien kestävyyteen.