Badania wytrzymałości eksplozyjnej obudów przyrządów energoelektronicznych i zagrożenia występujące w układach przekształtnikowych

• Autorzy: Zymmer K. , Sakowicz S.

Warianty tytułu

EN

Investigations of power electronic device explosive strength and determining of explosive hazards, which take place in converter circuits

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań wytrzymałości eksplozyjnej diod o prądzie I(FAV) = 300 A i obudowach wkręcanych oraz tranzystorów IGBT o prądzie I(c) = 400 A i obudowach modułowych wykonanych z tworzywa sztucznego. Badania prowadzono w obwodzie prądu stałego przy prądzie równym w przybliżeniu 4-7 krotnej wartości dopuszczalnego prądu przeciążeniowego - I(TSM) (w odniesieniu do diod) oraz 10-20 krotności prądu I(c) (w odniesieniu do modułów tranzystorowych). W czasie badań określono wartości prądu powodującego eksplozję przyrządu oraz czas po jakim ona wystąpiła. Obliczono również wartości energii eksplozyjnej oraz parametru I(2)t. W oparciu o wartości parametru I(2)t powodującego eksplozję przyrządu i analizy symulacyjne obwodów określono zagrożenia eksplozyjne dla różnych przypadków zwarć wewnętrznych w prostownikach dużej mocy stosowanych w układach zasilania trakcji elektrycznej o napięciu 3,3 kV oraz w falownikach napięcia. Na podstawie rezultatów tych analiz oraz doświadczeń z eksploatacji urządzeń zaproponowano środki mające na celu zapobiegać eksplozjom przyrządów energoelektronicznych w układach przekształtnikowych oraz ograniczać skutki tych zjawisk w przypadku ich wystąpienia.

EN

The results of diode explosive strength for current I(FAV) = 300A in traditional cases and IGBT transistors for a current of I(c) = 400A in insulated module cases are presented. Investigations has been conducted in a DC circuit with currents equal to (4÷7)FSM for diodes and (10÷20)I(c) for transistors. During these investigations current causing device explosions and ranges of times to explosion effects were determined. The explosion energies and I(2)t parameters were calculated as well. Based on ranges of I(2)t parameters, which caused explosion of device and simulation analysis results, the explosions hazards in internal short circuit conditions of different kinde of converters such as high power rectifiers and voltage source converters were calculated. On the basis of these analysis and experimental results taken from operating conditions limit the results of explosion if they take place.

Słowa kluczowe

PL

przyrządy półprzewodnikowe; diody; tranzystory IGBT; zabezpieczenia przyrządów energoelektronicznych; układy przekształtnikowe

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Elektrotechniki
• Czasopismo: Prace Instytutu Elektrotechniki
• Rocznik: 2001
• Tom: Z. 209
• Strony: 5--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Zymmer K.

• Zakład Przekształtników Mocy, Instytut Elektrotechniki

autor

Sakowicz S.

• Zakład Przekształtników Mocy, Instytut Elektrotechniki

Bibliografia

• 1. Aloisi P. A.: Thermomechanical degradation and thermal fatigue, ESREF'93 October 1993, Bordeaux (France), pp. 253-257.
• 2. Arai K.et al.: Development of New Concept Packaging Third Generation IGBT Modules U Series.Proc. of Power Conversion-PCIM'96, Norymberga (RFN), 11-16.
• 3. Blackburn D.: Failure mechanisms and nondestructive testing of bipolar and MOS gated transistors. EPE-MADEP Firenze, 1991, pp.0-252...0-257.
• 4. Borras R. et al.: Avalanche capability of today's power semiconductors. EPE'93 Brighton, vol. 2, Materials and Devices, 1993, pp.167-172.
• 5. Brunner H. et al.: 3300 V IGBT module for traction application. EPE'95. Seville, vol.1, p-56-59.
• 6. Coquery G. et al.: Reliability of the 400 A IGBT modules for traction converters-contribution on the power fatigue influence on life expectancy. EPE'95 Seville, vol.1, 60-65.
• 7. Eckel H. G., Sack L.: Optymalization of the Short Circuit Behaviour of NPT - IGBT by the Gate Drive. Proc. of EPE'95, Sevilla (Spain), wrzesień 1995.
• 8. Gekenidis S. et al.: Explosion Tests on IGBT High Voltage Modules. Proc. of ISPSD'99, May 1999, Toronto (Canada).
• 9. Gawęcka H., Januszewski S.: Problemy konstrukcyjne przekształtników z modułami tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką IGBT dużej mocy. Wiadomości Elektrotechniczne 1999 nr. 9.
• 10. Hagino H. i in.: En Experimental and Numericai Study on the Forward Biased SOA of iGBT's. IEEE Trans, on Electron Devices 1996 nr 3.
• 11. Hayasaki Y. et al.: 3,3 kV and 2,5 kV Press Pack IGBT Switching Performance and Mechanical Reliability. Proc. of Power Conversion - PCIM'97, June 1997, Norymberga (RFN), 205-215.
• 12. Januszewski S.: Obudowy pastylkowe z dociskiem zewnętrznym tranzystorów IGBT umożliwiające chłodzenie obustronne. Wiadomości Elektrotechniczne 1999 nr 12.
• 13. Januszewski S., Gawęcka H.: Zwarcia w układach przekształtnikowych. Wiadomości Elektrotechniczne 2000 nr 8.
• 14. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Stypułkowska E., Świątek H., Świątek G.: New generation semicondoctor devices failures in power electronic equipments. Proc. of PEMC'94, Warszawa, Sept.1994.
• 15. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Stypułkowska E., Świątek H., Świątek G.: lnvestigation of destroyed parts of surface of high power semiconductor devices in service conditions. 6 th European Symposium Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis, ESREF'95, Oct. 1995, Bordeux.
• 16. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Skutki uszkodzeń tranzystorów IGBT dużej mocy w warunkach eksploatacyjnych. Materiały konferencyjne SPES'98.
• 17. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Some observation dealing with the failures of IGBT transistors in high power converters. Microelectronics Reliability (38) 1998, pp.1325-1330.
• 18. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H., Świątek G.: Causes and mechanisms of semiconductor device in power converter service conditions 6 th European Conference on Power Electronics and Applications EPE'95, Sevilla (Spain) vol. 1, pp. 625-630.
• 19. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Uszkodzenia półprzewodnikowych przyrządów mocy w warunkach eksploatacyjnych. Konferencja nt. "Energoelektronika w zastosowaniach przemysłowych" - EZP'96. Instytut Elektrotechniki, Warszawa, 1996.
• 20. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H., Zymmer K.: IGBT transistor failures in high power converters. Proceedings of the 3 th International Seminaron Power Semiconductor - ISPS'96, Sept.1996, Prague (Czech. Republic).
• 21. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Pytlak A., Świątek H., Zymmer K.: Wpływ uszkodzeń półprzewodnikowych przyrządów mocy na bezpieczeństwo urządzeń energoelektronicznych. Prace Instytutu Elektrotechniki, 1999, zeszyt 203.
• 22. Januszewski S., Kociszewska-Szczerbik M., Świątek H.: Uszkodzenia tranzystorów dużej mocy w warunkach eksploatacyjnych. Wiadomości Elektrotechniczne, 1999, nr 1.
• 23. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: The peak case nonrupture current of high power semiconductor devices. PEMC'94 Internal Conference on Power Electronics, Motion Control and Associated Applications Sept. 1994 Warsaw.
• 24. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Wytrzymałość eksplozyjna przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy jako kryterium oceny ich przydatności do zastosowań w przekształtnikach energetycznych. VI Sympozjum „Podstawowe problemy energoelektroniki i elektromechaniki", Gliwice-Ustroń, marzec 1995.
• 25. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: Internal short-circuits in high power converters with IGBT transistors. Proc. of the 7 th International Symposium on Short-Circuit Currents in Power Systems. Sept. 1996, Warsaw (Poland).
• 26. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Zapobieganie zagrożeniom eksplozją przyrządów energoelektronicznych przy zwarciach w przekształtnikach dużej mocy. Wiadomości Elektrotechniczne 1999, nr 3.
• 27. Januszewski S., Zymmer K.: Overcurrent protection coordination in converters with IGBT transistors. Proc. of EOE'99 September 1999 Lausanne (Switzerland).
• 28. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H.. Zymmer K.: The peak case nonrupture current of high power semicondoctor devices. PEMC'94 Internal Conference on Power Electronics, Motion Control and Associated Applications, Sept. 1994, Warsaw.
• 29. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: "Investigation of explosion consequence of semiconductor device enclosure in very high power converters", Proceedings of the 5 th International Symposium on Short-Circuit Currents in Power Systems. Sept. 1992, Warsaw (Poland), pp.3.20 1-3.20.4.
• 30. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: Influence of short-circuits current on the operation of very high power converter equipments. Prace Instytutu Elektrotechniki No 172,1992, pp. 97-110.
• 31. Januszewski S., Stańczak W., Świątek H., Zymmer K.: Badania eksplozyjnej wytrzymałości półprzewodnikowych przyrządów mocy w warunkach zwarciowych. Konferencja „Energoelektronika w zastosowaniach przemysłowych", Warszawa-Międzylesie 1996.
• 32. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Consequences of internal short-circuits in very high power converters. Proc. of the IEEE International Symposium on industriai Electronics - ISIE'96, June 1996, Warsaw (Poland), vol. 1, pp. 519-524.
• 33. Januszewski S., Świątek H., Zymmer K.: Zagrożenia eksplozją przyrządów energoelektronicznych podczas zwarć przekształtników dużej mocy. Materiały Konferencyjne SPES'98.
• 34. Ramminger S. et. al.: Crack Mechanism in Wire Bonding Joints. Microelectronics Relability vol. 38,1998, No 1301-1305.
• 35. Shen Z. J. i in.: Current Sensing Characteristics of IGBT's Under Short Circuit Conditions. Proc. of EPE' 95, Sevilla (Spain), wrzesień 1995.
• 36. Samos I.L. et al.: Power semlconductors empirical dlagrams expressing life as a function of temperature excursion. IEEE Trans, on Magnet., vol. 29,1993, No 1.
• 37. Wheeler P.W.: The Control and Optimalisation of IGBT Turn-off Characteristics Under Short Circuit Conditions. Proc. of PEMC'98. Prague (Czech. Republic.), wrzesień 1998.