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전력전자 시스템의 신뢰성 취약 소자와 신뢰성 평가 방법 원문보기

전력전자학회지 = The journal of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.3, 2018년, pp.34 - 40  

최의민 (서울과학기술대학교 전자IT미디어공학과)

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문제 정의

  • 따라서 전력 반도체 소자의 고장은 이의 패키징 방법 및 구조와 밀접하게 연관되어있으며 온도 스트레스가 주된 원인이다. 본 절에서는 전력전자 시스템에서 가장 널리 사용되고 있는 Wire bonding 기술을 이용한 IGBT 모듈의 구조 및 노화에 의한 주요 고장 메커니즘에 대해서 다루고자 한다.
  • 이러한 요구사항들을 만족시키기 위하여 자동차 전자 시스템 (Automotive electronics), 항공기 전동화(More electric aircrafts) 그리고 철도 견인장치(Railway tractions) 분야에서 새로운 신뢰성 디자인 툴(Design tools) 및 새로운 강인성 검증 방법들을(Robustness validation methods) 도입하는 등 신뢰성에 대한 패러다임의 변화가 계속해서 진행되고 있으며 에너지 분야 역시 이 흐름을 따르고 있다 明 전력전자 시스템의 신뢰성 연구 분야는 대표적으로 1) PoF(Physics-of-failure)를 바탕으로 전력전자 소자 및 시스템의 고장 원인과 고장 메커니즘을 파악하기 위한 테스트 및 분석 2) 전력전자 시스템의 기대 수명과 기대 고장률 충족을 위한 신뢰성 설계(Design for ReliabUity) 및 강인성 검증프로세스(Robustness validation process) 3) 실제 산업 현장에서 전력전자 시스템의 신뢰성 높은 운전을 위한 지능제어 (Intelligent control) 및 상태 모니터 링 (Condition monitoring) 등이 있다. 본 편에서는 전력전자 시스템의 신뢰성 취약 소자에 대해서 알아보고 그 소자의 고장 메커니즘과 신뢰성 평가 방법에 대해 이야기 하고자 한다.
  • 본고에서는 전력전자 시스템의 신뢰성 취약소자인 전력 반도체 소자 중 대표적 인 IGBT 모듈의 구조, 고장 메커니즘 및 신뢰성 테스트 방법 에 대해서 소개하였다. 단순한 standard를 기초로 한 통과/실패(Pass/Fail) 테스트를 넘어 파워 싸이클링 테스트 결과로부터 IGBT 모듈의 수명모델을 개발하고 이를 통해 다양한 전력전자 어플리케이션의 운행조건(Mission profile)하에서 전력반도체 소자의 수명을 예측하고 이를 검증하기 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
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참고문헌 (9)

  1. L. M. Moore and H. N. Post, "Five years of operating experience at a large, utilityscale photovoltaic generating plant," Progress Photovoltaic: Research and Application, Vol. 16, No. 3, pp. 249-259, 2008. 

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  2. H. Wang, M. Liserre, and F. Blaabjerg, “Toward reliable power electronics: challenges, design tools, and opportunities,” IEEE Industrial Electronics Magazine, Vol. 7, No. 2, pp. 17-26, Jun. 2013. 

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  3. H. Wang, M. Liserre, F. Blaabjerg, P. de Place Rimmen, J. B. Jacobsen, T. Kvisgaard, and J. Landkildehus, “Transitioning to physicsof- failure as a reliability driver in power electronics,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 2, No. 1, pp. 97-114, Mar. 2014. 

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  7. U. M. Choi, S. Jorgensen, and F. Blaabjerg, "Advanced accelerated power cycling test for reliability investigation of power device modules," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, No. 12, pp. 8371-8386, Dec. 2016. 

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  8. U. M. Choi, F. Blaabjerg, S. Jorgensen, S. Munk-Nielsen, and B. Rannestad, "Reliability improvement of power converters by means of condition monitoring of IGBT modules," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, No. 10, pp. 7990-7997, Oct. 2017. 

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  9. U. M. Choi and F. Blaabjerg, “Separation of wear-out failure modes of IGBT modules in grid-connected inverter systems,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 33, No. 7, pp. 6217-6223, Jul. 2018. 

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