Трябва да сте влезли в
-
moreX
-
Компоненти
-
-
Category
-
Полупроводници
- Диоди
- Тиристори
- Електроизолирани модули
- Изправителни мостове
-
Транзистори
- Транзистори | GeneSiC
- Модули SiC MOSFET | Mitsubishi
- Модули SiC MOSFET | STARPOWER
- ABB SiC MOSFET модули
- IGBT модули | MITSUBISHI
- Транзисторни модули | MITSUBISHI
- MOSFET модули | MITSUBISHI
- Транзисторни модули | ABB
- IGBT модули | POWEREX
- IGBT модули | INFINEON (EUPEC)
- Полупроводникови елементи от силициев карбид
- Go to the subcategory
- Драйвeри
- Силови блокове
- Go to the subcategory
-
Електрически преoбразователи
-
Токови преoбразователи LEM
- Токов преобразовател със затворена верига на обратна връзка (C/L)
- Токов преобразовател с отворена верига на обратна връзка (O/L)
- Токов преобразовател захранван с еднополюсно напрежение
- Преобразователи в технология Eta
- Високоточни токови преобразуватели LF xx10 серия
- Преобразуватели на ток от серия LH
- HOYS и HOYL - предназначени за директно монтиране върху проводникова шина
- Настоящи преобразуватели в SMD технологията от сериите GO-SME и GO-SMS
- АВТОМОБИЛНИ токови преобразуватели
- Go to the subcategory
-
Преобразуватели на напрежение | LEM
- Напреженови преобразователи серия LV
- Напреженови преобразователи серия DVL
- Прецизни напреженови преобразователи с двойна магнитна сърцевина серия CV
- Тягов напреженов преобразовател DV 4200/SP4
- Преобразуватели на напрежение от серията DVM
- Преобразувател на напрежение - DVC 1000-P
- Преобразуватели на напрежение - серия DVC 1000
- Go to the subcategory
- Прецизни токови преобразуватели | LEM
- Go to the subcategory
-
Токови преoбразователи LEM
-
Пасивни компоненти (кондензатори, резистори, предпазители, филтри)
- Резистори
-
Предпазители
- Миниатюрни предпазители за електронни системи серия ABC и AGC
- Бързи тръбни предпазители
- Закъснителни вложки с характеристика GL/GG и AM
- Ултрабързи стопяеми вложки
- Бързи предпазители британски и американски стандарт
- Бързи предпазители европейски стандарт
- Тягови предпазители
- Високоволтни предпазителни вложки
- Go to the subcategory
-
Кондензатори
- Кондензатори за двигатели
- Електролитни кондензатори
- Кондензатори тип snubbers
- Кондензатори за мощност
- Кондензатори за DC (постояннотокови вериги)
- Кондензатори за компенсиране на мощност
- Високоволтови кондензатори
- Кондензатори за индукционно нагряване
- Кондензатори за съхранение на импулси и енергия
- DC LINK кондензатори
- Кондензатори за AC/DC вериги
- Go to the subcategory
- Филтри EMI (против смущения)
- Суперкондензатори
-
Защита от пренапрежение
- Защита от пренапрежение за коаксиални приложения
- Защита от пренапрежение за системи за видеонаблюдение
- Защита от пренапрежение за захранващи кабели
- Ограничители за пренапрежение за LED
- Ограничители за пренапрежение за фотоволтаици
- Защита на системата за претегляне
- Защита от пренапрежение за Fieldbus
- Go to the subcategory
- Go to the subcategory
-
Релета и контактори
- Теория- релета и контактори
- Полупроводникови релета АС 3-фазни
- Релета полупроводникови DC
- Регулатори, управляващи системи и аксесоари
- Системи за мек старт и реверсивни контактори
- Електромеханични релета
- Контактори
- Ротационни превключватели
-
Полупроводникови релета АС 1-фазни
- Полупроводникови релета AC еднофазни серия 1 | D2425 | D2450
- Полупроводникови релета AC еднофазни серия CWA I CWD
- Полупроводникови релета AC еднофазни серия CMRA I CMRD
- Полупроводникови релета АС ендофазни серия PS
- Полупроводникови релета AC двойни и четворни серия D24 D, TD24 Q, H12D48 D
- 1-фазни полупроводникови релета серия gn
- Полупроводникови релета АС серия ckr
- Релета AC еднофазни на шина DIN серия ERDA и ERAA
- Еднофазни AC релета за ток 150А
- Двойни полупроводникови релета, интегрирани с радиатор за DIN шина
- Go to the subcategory
- Полупроводникови релета АС 1-фазни, за печатни платки
- Интрфейс релета
- Go to the subcategory
- Индукционни елементи
- Радиатори, Bаристори, Tермични защити
- Вентилатори
- Климатизация, Оборудване за електрически шкафове, Охладители
-
Батерии, зарядни устройства, буферни захранвания и инвертори
- Батерии, зарядни устройства - теоретично описание
- Литиево-йонни батерии. Персонализирани батерии. Система за управление на батерията (BMS)
- Батерии
- Зарядни устройства и аксесоари за батерии
- UPS резервно захранване и буферни захранвания
- Преобразуватели и аксесоари за фотоволтаици
- Енергиен запас
- Горивни клетки
- Литиево-йонни батерии
- Go to the subcategory
-
Автоматика
- Futaba Drone Parts
- Крайни изключватели, Микроизключватели
- Датчици, Преобразователи
- Пирометри
- Броячи, Времеви релета, Панелни измервателни прибори
- Промишленни защитни устройства
- Светлинна и звукова сигнализация
- Термокамера
- Екрани LED
- Управляваща апаратура
-
Регистратори
- Регистратор на температура със запис на лента и цифров показател - AL3000
- Микропроцесорни регистратори с екран LCD серия KR2000
- Регистратор KR5000
- Измервател със функция за регистриране на влажност и температура HN-CH
- Експлоатационни материали за регистратори
- Компактен графичен регистратор 71VR1
- Регистратор KR 3000
- Регистратор РС серия R1M
- Регистратори РС серия R2M
- Регистратор РС - 12 изолирани входа– RZMS
- Регистратор PC, USB, 12 изолирани входа – RZUS
- Go to the subcategory
- Go to the subcategory
-
Проводници, Кабел литцендрат, Кабелни канали, Меки връзки
- Проводници
- Кабел литцендрат
-
Кабели за специални приложения
- Компенсиращи и удължаващи проводници
- Проводници за термодвойки
- Съединителни проводници за РТ датчици
- Многожилни проводници темп. -60C до +1400C
- SILICOUL проводници средно напрежение
- Запалителни проводници
- Нагревателни проводници
- Едножилни проводници темп. -60C до +450C
- Проводници за ЖП приложения
- Нагревателни проводници в Ех изпълнение
- Go to the subcategory
- Кабелни канали
-
Плетени кабели
- Плоски плетени кабели
- Кръгли плетени кабели
- Много гъвкави плетени кабели - плоски
- Много гъвкави плетени кабели - кръгли
- Медни цилиндрични плетени кабели
- Медни цилиндрични плетени кабели и канали/кожуси
- Гъвкави заземяващи ленти
- Плетени проводници от оцинкована и неръждясваща стомана
- Медни изолирани плетени проводници PCV -температура до 85 градуsа по C
- Плоски плетени алуминиеви проводници
- Комплект за подсъединение - плетени проводници и тръбички
- Go to the subcategory
- Оборудване за тяга
- Кабелни накрайници
- Изолирани еластични шини
- Многослойни еластични шини
- Системи за провеждане на кабели (шлауфи)
- Кабелни канали / маркучи
- Go to the subcategory
- View all categories
-
Полупроводници
-
-
- Suppliers
-
Applications
- AC и DC задвижвания (инвертори)
- CNC машинни инструменти
- Energy bank
- HVAC автоматизация
- Двигатели и трансформатори
- Заваръчни машини и заваръчни машини
- Захранващи (UPS) и токоизправителни системи
- Измерване и регулиране на температурата
- Измерване и регулиране на температурата
- Индукционно отопление
- Индустриална автоматизация
- Индустриална автоматизация
- Индустриални защитни устройства
- Компоненти за потенциално експлозивна атмосфера (EX)
- Машини за сушене и обработка на дървесина
- Машини за термоформоване на пластмаси
- Минно дело, металургия и основаване
- Оборудване за разпределителни, контролни и телекомуникационни шкафове
- Печат
- Трамвайна и железопътна тяга
-
Инсталация
-
-
Montaż urządzeń
- Монтаж на шкафове
- Проектиране и монтаж на шкафове
- Монтаж на енергийни системи
- Компоненти
- Машини, създадени по поръчка
- Научноизследователска и развойна дейност
-
Промишленни тестери
- Силови полупроводникови тестери
- Тестери за електрически апарати
- Тестери за варистори и отводители
- Автомобилен тестер за предпазители
- Qrr тестер за измерване на преходен заряд в тиристори и силови диоди
- Роторен тестер на прекъсвачи от серия FD
- Тестер за проверка на устройства за остатъчен ток
- Тестер за калибриране на реле
- Тестер за визуални тестове на бутални пръти на газови пружини
- Тиристорен превключвател с висок ток
- Тестер за разрушаване на мрежи
- Go to the subcategory
- View all categories
-
-
-
Индуктори
-
-
Modernizacja induktorów
- Ремонт на използвани индуктори
- Модернизация на индуктори
-
Производство на нови индуктори
- Втвърдяване на коляновите валове
- Втвърдяване на зъбите на лентовия трион
- Нагряване на елементи преди залепване
- Втвърдяване на пистите на автомобилните лагери на главината на колелата
- Втвърдяване на компонентите на трансмисията на задвижването
- Втвърдяване на стъпаловидни шахти
- Нагряване в контракционни фуги
- Сканиращо втвърдяване
- Меко запояване
- Нагреватели на заготовки
- Go to the subcategory
- Знание
- View all categories
-
-
-
Индукционни устройства
-
-
Urządzenia indukcyjne
-
Генератори за индукционно нагряване
-
Индукционни отоплителни генератори Ambrell
- Генератори: mощност 500 W, честота 150-400 kHz
- Генератори: mощност 1,2 - 2,4 kW, честота 150 - 400 kHz
- Генератори: mощност 4.2 - 10 kW, честота 150 - 400 kHz
- Генератори: mощност 10 - 15 kW, честота 50 - 150 kHz
- Генератори: mощност 30-45 kW, честота 50-150 kHz
- Генератори: mощност 65-135 kW, честота 50-150 kHz
- Генератори: mощност 180-270 kW, честота 50-150 kHz
- Генератори: mощност 20-35-50 kW, честота 15-45 kHz
- Генератори: mощност 75-150 kW, честота 15-45 kHz
- Генератори: mощност 200-500 kW, честота 15-45 kHz
- Генератори: mощност 20-50 kW, честота 5-15 kHz
- Go to the subcategory
- Индукционни отоплителни генератори Denki Kogyo
-
JKZ индукционни отоплителни генератори
- Генератори от серия CX, честота: 50-120kHz, мощност: 5-25kW
- SWS генератори, честота: 15-30kHz, мощност: 25-260kW
- Генератори (пещи) за формоване и коване на серия MFS, честота: 0,5-10kHz, мощност: 80-500kW
- MFS топилни пещи, честота: 0,5-10kHz, мощност: 70-200kW
- Генератори на UHT серия, честота: 200-400kHz, мощност: 10-160kW
- Go to the subcategory
- Генератори на лампи за индукционно отопление
- Индукционни отоплителни генератори Himmelwerk
- Go to the subcategory
-
Индукционни отоплителни генератори Ambrell
- Ремонти и модернизация
- Периферни устройства
-
Aпликации
- Медицински приложения
- Приложения за автомобилната индустрия
- Меко запояване
- Запояване
- Алуминиево запояване
- Припояване на магнитни инструменти от неръждаема стомана
- Прецизно запояване
- Атмосферно запояване
- Запояване на месингови и стоманени капачки за радиатори
- Запояване на синтеровани карбиди
- Запояване на медния накрайник и проводника
- Go to the subcategory
- Знание
- View all categories
-
Генератори за индукционно нагряване
-
-
-
Обслужване
-
-
asd
- Сервиз на промишлени охладители за вода и климатици
- Ремонт и модернизация на машини
- Поправка на устройства за автоматика, енергетика и промишлена автоматика
- Захранвания с високо напрежение за електрофилтри
- Индустриални принтери и етикетиращи машини
- Certyfikaty / uprawnienia
- View all categories
-
-
- Contact
- Zobacz wszystkie kategorie
Robust High Voltage IGBT Power Modules Against Humidity and Condensation
Robust High Voltage IGBT Power Modules Against Humidity and Condensation
Mitsubishi Electric continuously improve the power device robustness even considering different environmental conditions like humidity and condensation.
By Eugen Wiesner, MITSUBISHI ELECTRIC EUROPE B. V.K. Nakamura, K. Hatori, MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION
Introduction
The power electronics is exposed to extreme environmental conditions during the operation like dust, temperature, humidity, vibrations or chemicals. The mission profile of the temperature and relative humidity has a wide range dependent on application and the location of operation.
In some mining applications the relative humidity level reach even almost 100% with condensation, drip and high pressure water spray for dust control [1].
Figure 1: Principle chip guard ring area with gel polarization effect
The IGBT power module as a key components of power electronics is suspended even to such harsh environment. Although the temperature influence on power semiconductor life-time was investigated quite intensively, the humidity was not taken into the account so far due to the missing life-time models or knowledge about failure mechanisms. Especially for case type high voltage IGBT power modules the humidity becomes important parameter due to the non-hermetic package design and the high electric field at semiconductor interfaces, like passivation area. As a result it was necessary to investigate the humidity caused failure mechanisms more deeply and to establish the needed life-time models.
In this article the Mitsubishi Electric investigation results are presented in regards to the humidity and condensation influence on high voltage IGBT power modules durability.
Humidity failure mechanisms and life-time model
The electromechanical migration (ECM) and aluminum corrosion are two possible and well described [2] failure mechanisms of power semiconductors caused by humidity. In the first case (ECM) a dendrite grow of Cu or Ag can be detected on the chip passivation area. In the second case the Aluminum metallization is corroded on the guard-ring.
Besides above described two failure mechanisms caused by humidity and requiring a long time influence Mitsubishi Electric found and published one other failure mechanism that may happen even after short humidity or condensation impact [4]. This failure may appear in case of gel polarization and surface charge accumulation at high voltage above guard ring area. In the figure 1 the principle structure of chip guard ring area with the gel polarization effect is shown. The moisture absorption in the module accelerates the polarization. From the polarization resulting surface charge accumulation above the chip’s guard ring area causes the blocking capability degradation of the device. This may finally lead to device failure.
Figure 2: Leakage current increase after condensation event
This phenomenon can be detected by leakage current increase after condensation event. The leakage current increase happens not immediately. It takes several seconds before the current rises after voltage is applied. In figure 2 the comparison of the leakage current characteristic between dry condition and after condensation is shown.
The knowledge of failure mechanism only is not enough to decide whether the power device will operate the desired time under given conditions. That’s why Mitsubishi Electric developed and proposed a life time model considering the humidity as below [2]:
LI is the estimated life time of the power device. The coefficients πH, πT and πV are the acceleration factors proposed by [3]. These factors, can be defined by HV-H3TRB measurements at different conditions. The LTb is the basic life time. It can be calculated from the transformation of different conditions used during the HV-H3TRB evaluation to only one reference condition for example 75%RH, 25°C and 1500V (for 3300V IGBT-Module)
In the following example it is shown how the humidity related parameters can be defined and calculated using 3300V IGBT Module. In the first step the humidity acceleration factor πH can be calculated using the results from two HV-H3TRB tests. One test (test A) was performed at 85% RH the second test (test B) was performed at 95% RH.
For this calculation the 50% Weibull distribution values were used. Other test parameters like temperature and voltage were kept same for both tests. Detailed evaluation result are shown in figure 3 below.
Figure 3: HV-H3TRB evaluation result with 3300V IGBT
Figure 4: Estimation of basic life-time from HV-H3TRB evaluation test results for 3300V IGBT
In the second step the empirical factor x using Peck’s model can be calculated as below:
In the final third step each testing point from HV-H3TRB evaluation can be transformed to the base line at reference conditions (75%RH, 25°C, 1500V) to define the basic life time (LTb).
All the transferred testing points from different HV-H3TRB test can be plotted into one Weibull diagram as shown in figure 4. As a result the basic life time can be estimated at the reference conditions fo example considering 10% probability value from this Weibull distribution.
From the established humidity life-time model the user can learn a lot. For example the IGBT-Module life-time curves can be drawn in humidity vs. temperature diagram to investigate the impact of temperature increase on the life-time as shown in figure 5. During the operation the absolute humidity is almost constant on the other hand the temperature is fluctuating. The diagram in figure 5 shows that even small increase of temperature by 4 °C at the same absolute humidity can increase the device life time by 30 times. That is why the starting of the inverter should be carefully considered because of low temperature.
Figure 5: Impact of temperature increase on the module life-time
IGBT-Module condensation test method
The original condensation test method to check power device robustness against condensation was proposed by Mitsubishi Electric in 2015 [4]. Before condensation event the power module was placed into the humidity chamber at the conditions of 85°C and 85%RH for 36 hours. This time is required to ensure that the humidity reached all parts inside the IGBT module. The power device will be like “saturated” with humidity. After the storage in the humidity chamber the samples will be cooled down rapidly from 85°C to 10°C using a heat sink outside the climate chamber. This rapid cooling event causes the condensation inside the power module. Finally the leakage current will be monitored after the condensation and compared with t characteristic before condensation. The worst case field conditions are usually not so hard as used during the performed condensation testing. According to IEC 60721-3-5 5K2 standard the pre-condition for rapid temperature change is 35°C and 95%RH. The testing with the conventional approach at such conditions would be very time consuming.
A new automatic condensation test approach was proposed by Mitsubishi Electric to perform the cycling condensation test more efficient using the humidity chamber [5]. This automatic test is helpful t derive the acceleration factors between the field conditions and the hard qualification tests. The proposed new test sequence for condensation test is shown in figure 6. Instead of cooling down the power module externally using the heatsink the climate chamber is used to generate the condensation. The advantage is that the comparable results to the conventional test can be achieved more efficient and quicker.
Figure 6: New test sequence for cycling condensation test
Latest high voltage IGBT module technologies
During the humidity investigation of the existing power modules the most sensitive design components were identified. The big influence on the device robustness against humidity had the selection of the proper silicone gel and the design of the chip passivation structure (guard-ring). Especially the passivation structure improvement leads to an enhancements of the device robustness against humidity. The invented by Mitsubishi Electric surface charge control (SCC) technology of the passivation area is the key factor to improve power device durability. It contains a semi-insulation layer above the Si guard ring structure as shown in figure 7.
Figure 7: Surface charge control technology
This semi-insulation layer avoids the accumulation of surface charges [6]. The latest X-Series high voltage power modules from Mitsubishi Electric use the SCC - technology.
The X-Series power device capability against condensation was tested using the above described cycling condensation test and compared to the conventional module. When evaluating the conventional module an acceleration factor of 80 was found between 85°C/85%RH and 36°C/95%RH. When comparing the new X-series with conventional design at 85°C/85%RH an improvement by more than 100 times was confirmed by testing. From these test results an unprecedented robustness against 8000 condensation events under IEC 60721-3-5 5K2 reference conditions can be derived for the new X-series, see Fig.8
Figure 8: X-Series technology against humidity and condensation in comparison to the conventional product
Conclusion
With the latest X-Series high voltage IGBT modules the device capability could be improved against the humidity and condensation. Also the basic approach to define the life time model for the humidity is established providing to the user the confidence of the proper inverter operation. On the other hand the upcoming SiC technology is still challenging especially considering the smaller structures and new materials. The lessons learned in the past with Si IGBT can be partially utilized and used also for SiC high voltage power modules in the future.
References
[1] Dustin Selvey, “Overview of the Unique Requirements and Challenges for Power Electronics in Mining Equipment” APEC, Long Beach, California, 2016.
[2] Y. Kitajima et al., “Lifetime Estimation Model of HVIGBT Considering Humidity,” PCIM Europe 2017, Nuremberg, Germany, 2017.
[3] C. Zorn and N. Kaminski, “Temperature Humidity Bias (THB) Testing on IGBT Modules at High Bias Levels,” CIPS 2014; Nuremberg, Germany, 2014.
[4] N. Tanaka, “Robust IVIGBT module design against high humidity”, PCIM 2015.
[5] K. Nakamura, “The test method to confirm robustness against condensation”, EPE 2019.
[6] S. Honda, T. Harada, A. Nishii, Z. Chen and K. Shimizu, “High voltage device edge termination for wide temperature range plus humidity with surface charge control (SCC) technology,” ISPSD 2016, Prague, 2016.
Leave a comment