Speeding up an endurance test of an IGBT module in switched-mode power cycling
Kettunen, Eemeli (2021)
Diplomityö
Kettunen, Eemeli
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859518
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859518
Tiivistelmä
Product lifetime validation is an essential step in a product development process. The lifetime of power semiconductors can be years, or tens of years, in a field utilization, so a testing method is required to obtain the necessary data in an accelerated time period. This master’s thesis studies endurance testing of an IGBT module in a welding power source application. The thesis was commissioned by Kemppi Oy as a part of a European Power2Power project. The main objective was to study how a currently in use switched-mode power cycling test could be sped up, which then could contribute to time and resource savings.
A literature review was carried out on existing IGBT endurance test methods, requirements, and parameters. The review indicated that a constant ton and toff control method should be used if targeting short test duration. A maximum junction temperature Tjmax, a junction temperature excursion DeltaTj, and length of a cycle period were observed as the most promising control parameters in the pursuit of speeding up the endurance test of an IGBT module. A welding power source demonstrator was built and replicated to be used in endurance testing of a complete welding power source. Key features of the demonstrator are condition monitoring of a device under test and a computer control using LabVIEW program.
Switched-mode power cycling tests were started with three demonstrators using elevated junction temperatures, and three more demonstrators were prepared for tests with shorter
cycle periods. Due to the lengthy nature of an endurance test, a conclusion of these tests could not be obtained within the time frame of this thesis. However, significant observations were made during the tests. The demonstrators were observed to function as expected, but changes in ambient temperature were noticed to affect the test substantially. These remarks were utilized to further develop the demonstrator and the computer control.
The research on speeding up the endurance test of an IGBT module in switched-mode power cycling test was recognized as time-consuming and testing oriented. That said, if the test results lead to a shorter, yet still valid, endurance test setup, long-term benefits can easily overcome the initial resource input on the research. Tuotteen eliniän validointi on keskeinen osa tuotekehitysprosessia. Tehopuolijohteen elinikä tavanomaisessa toimintaympäristössä voi olla jopa kymmeniä vuosia, joten mittausdatan hankinnassa tarvitaan kiihdytettyä testausmetodia. Tämä diplomityö tutkii IGBT-moduulin kestotestausta hitsausvirtalähdekäytössä. Työ tehtiin Kemppi Oy:lle osana eurooppalaista Power2Power-projektia. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia käytössä olevan tehosyklaustestin keston nopeuttamiseksi, millä voidaan tavoitella merkittäviä aika- ja resurssisäästöjä.
IGBT:n kestotestauksen metodeja, vaatimuksia, ja parametreja tutkittiin kirjallisuuskatsauksena. Tutkimus osoitti, että vakio ton ja toff -ohjausmetodia tulee käyttää lyhyttä testin kestoa tavoitellessa. Lupaaviksi säätöparametreiksi havaittiin maksimiliitoslämpötila Tjmax, liitoslämpötilan vaihtelu DeltaTj, ja sykliperiodin kesto. Kestotestausta varten rakennettiin kuusi hitsausvirtalähdedemonstraattoria, joilla pystytään kestotestaamaan kokonaisia hitsausvirtalähteitä. Demonstraattorin tärkeimmät ominaisuudet ovat testattavan laitteen kunnonvalvonta ja tietokoneohjaus käyttäen LabVIEW-ohjelmaa.
Kolme kestotestiä käynnistettiin käyttäen korotettua liitoslämpötilaa, ja kolme muuta demonstraattoria valmisteltiin lyhyemmän sykliperiodin testeihin. Kestotestin pitkäkestoisen luonteen vuoksi lopullisia testituloksia ei saatu tämän työn aikaraamien puitteissa, mutta merkittäviä huomioita pystyttiin tekemään jo kestotestien aikana. Demonstraattoreiden toiminta havaittiin odotetun kaltaiseksi, mutta ympäristön lämpötilan muutoksen vaikutus testijärjestelyyn huomattiin merkittäväksi. Näiden havaintojen perusteella demonstraattoria ja tietokoneohjausta pystyttiin jatkojalostamaan.
IGBT-moduulin kestotestauksen nopeuttamiseen liittyvä tutkimus tunnistettiin aikaa vieväksi ja testipainotteiseksi. Kuitenkin, mikäli testitulokset johtavat tuloksellisesti luotettavan kestotestin nopeutumiseen, ovat saatavat hyödyt merkittävästi tutkimukseen kuluvia resursseja suuremmat.
A literature review was carried out on existing IGBT endurance test methods, requirements, and parameters. The review indicated that a constant ton and toff control method should be used if targeting short test duration. A maximum junction temperature Tjmax, a junction temperature excursion DeltaTj, and length of a cycle period were observed as the most promising control parameters in the pursuit of speeding up the endurance test of an IGBT module. A welding power source demonstrator was built and replicated to be used in endurance testing of a complete welding power source. Key features of the demonstrator are condition monitoring of a device under test and a computer control using LabVIEW program.
Switched-mode power cycling tests were started with three demonstrators using elevated junction temperatures, and three more demonstrators were prepared for tests with shorter
cycle periods. Due to the lengthy nature of an endurance test, a conclusion of these tests could not be obtained within the time frame of this thesis. However, significant observations were made during the tests. The demonstrators were observed to function as expected, but changes in ambient temperature were noticed to affect the test substantially. These remarks were utilized to further develop the demonstrator and the computer control.
The research on speeding up the endurance test of an IGBT module in switched-mode power cycling test was recognized as time-consuming and testing oriented. That said, if the test results lead to a shorter, yet still valid, endurance test setup, long-term benefits can easily overcome the initial resource input on the research.
IGBT:n kestotestauksen metodeja, vaatimuksia, ja parametreja tutkittiin kirjallisuuskatsauksena. Tutkimus osoitti, että vakio ton ja toff -ohjausmetodia tulee käyttää lyhyttä testin kestoa tavoitellessa. Lupaaviksi säätöparametreiksi havaittiin maksimiliitoslämpötila Tjmax, liitoslämpötilan vaihtelu DeltaTj, ja sykliperiodin kesto. Kestotestausta varten rakennettiin kuusi hitsausvirtalähdedemonstraattoria, joilla pystytään kestotestaamaan kokonaisia hitsausvirtalähteitä. Demonstraattorin tärkeimmät ominaisuudet ovat testattavan laitteen kunnonvalvonta ja tietokoneohjaus käyttäen LabVIEW-ohjelmaa.
Kolme kestotestiä käynnistettiin käyttäen korotettua liitoslämpötilaa, ja kolme muuta demonstraattoria valmisteltiin lyhyemmän sykliperiodin testeihin. Kestotestin pitkäkestoisen luonteen vuoksi lopullisia testituloksia ei saatu tämän työn aikaraamien puitteissa, mutta merkittäviä huomioita pystyttiin tekemään jo kestotestien aikana. Demonstraattoreiden toiminta havaittiin odotetun kaltaiseksi, mutta ympäristön lämpötilan muutoksen vaikutus testijärjestelyyn huomattiin merkittäväksi. Näiden havaintojen perusteella demonstraattoria ja tietokoneohjausta pystyttiin jatkojalostamaan.
IGBT-moduulin kestotestauksen nopeuttamiseen liittyvä tutkimus tunnistettiin aikaa vieväksi ja testipainotteiseksi. Kuitenkin, mikäli testitulokset johtavat tuloksellisesti luotettavan kestotestin nopeutumiseen, ovat saatavat hyödyt merkittävästi tutkimukseen kuluvia resursseja suuremmat.