Elektroniks levetid påvirkes af velkendte stressorer som for eksempel temperatur, fugt og vibrationer.

26. november 2018

Elektrisk stressor i den elektriske Mission Profile

Elektroniks levetid påvirkes af velkendte stressorer som for eksempel temperatur, fugt og vibrationer. Elektronikkens levetid nedbrydes også af elektriske påvirkninger som store impulsstrømme i komponenter og i værste fald eksplosion eller afbrænding. De elektriske stressorer findes i det elektriske brugsmiljø og kan foruden transienter bestå af forstyrrelser i forsyningsspændingen. Begge stressorer udgør en del af den elektriske Mission Profile, som et produkt oplever i sin levetid. Data til mission profile kan for eksempel hentes fra en omfattende logning udført af Dansk Energi, hvor transienter fra samlet 70 års observationstid er dokumenteret siden 2009. Nogle produkter gennemlever hele deres liv med meget stabil forsyningskvalitet, mens andre oplever både transienter, forvrænget kurveform og måske tusindvis af tænd/sluk-operationer eller spændingsudfald.

Accelerationsmodel og levetidsberegning

Test af pålidelighed og estimering af levetid er meget omkostningstungt. Levetidsestimering ved hjælp af computermodeller er på vej ind, og analysen kan være et fremtidigt værktøj ved udvikling af bl.a. effektelektronik.

AAU (Aalborg Universitet) har sammen med industrien i CORPE-samarbejdet udviklet et estimeringsværktøj for state-of-the-art matematisk modellering af elektriske og termiske forhold. Værktøjet kan benyttes til at vurdere de mest betydende stressorer for udslidning af effektelektronik. Værktøjet anvendes på aktive komponenter så som IGBT’er og MOSFET’s, men udvides nu også med vigtige passive komponenter som sikringer og metaloxid varistorer (MOV’er). Påvirkning fra parametre som temperatur, spænding og fugtighed anvendes som mission profile, og modellerne udbygges løbende.

Levetidsvurdering af komponenter i effektelektronik udføres med kendskab til accelerationsmodeller, der beskriver indvirkningen fra hver stresstilstand, og aggregerer det samlede slid fra alle disse. Accelerationsmodellerne er udledt fra praktisk gennemførte levetidstests, og kan derfor anvendes med god nøjagtighed for en given komponentopbygning og den tilhørende fysiske fejlmekanisme.

Samarbejde om konkrete cases

Gennem en række aktiviteter har både AAU og FORCE Technology arbejdet med at analysere konkrete cases med elektrisk stressor. Fremgangsmåden med at opstille accelerationsmodellen for en varistor er gennemført med transientstrøm som stressor.

For en varistor er det ikke så relevant at se på en evt. lang anvendelsestid. Det er mere relevant at se på, hvor mange events (transienter) af høj amplitude, som varistoren udsættes for. De korte, dynamiske hændelser med stor effekt og stor temperaturstigning er helt dominerende for nedbrydningen af varistoren, mens en fast, nominel forsyningsspænding kun medvirker ubetydeligt. Accelerationsmodellen er derfor nødt til at være baseret på en mission profile bestående af events.

Praktisk test er anvendt for at se, hvor mange strømimpulser der skal til at nedbryde en varistor ved en række temperaturer og strømamplituder. På baggrund af testen er der opstillet en matematisk accelerationsmodel. Ved brug af accelerationsmodellen kan levetiden i form af antal strømimpulser beregnes ved forskellige strømme og temperaturer.

Ny stressor - kendte udfordringer

Erfaringerne med levetidsmodel for elektrisk stressor har vist sig at byde på de samme udfordringer som for de klassiske termiske og mekaniske stressorer, bl.a.:

  • Accelerationskurven kan være meget stejl, så der nærmest ingen udslidning sker ved lav strømamplitude, mens destruktion (afbrænding/eksplosion og dermed en overstress fejlmekanisme) sker ved blot lidt højere strømamplitude.
  • Accelerationsmodellen gælder for det meste kun for en enkelt fejlmekanisme.
  • Man behøver mange serier input data og dermed langvarigt testarbejde for at få etableret accelerationsmodeller med både temperatur, impulsstrøm og forsyningsspænding.

En case med transmissionslinjeaspekter

Figur 1a & 1b nedenfor viser, hvordan dynamikken er ved transientpåvirkning. En transient på 1500 V og 10 μs varighed indkobles i en streng af gadelamper installeret med luftledninger. De farvede kurver viser spændingen over hver af de 9 lamper, der er adskilt med hver 54 m og har hver sin varistor indbygget. Transienten er indkoblet i den ene ende af strengen, så man kunne forvente, at transientamplituden ville falde gradvist langs med lampestrengen. Modelleringen viser dog, at de to sidste lamper udsættes for en højere amplitude på grund af refleksionen fra den ”uafsluttede” ledningsstreng. Dette forhold bør medtages i vurdering af lampernes levetid. Mere simple beregninger viser endvidere, at hvis transientamplituden øges over 2 kV, vil en indbygget smeltesikring (Træg 3,15 A) i hver lampedriver brænde af og frakoble lampen. Sikringen kan ikke udskiftes, så lampen er ude af funktion, indtil en ny lampedriver monteres.

elektriske stressorer visio-tegning
Figur 1a: Simulering af kurveformer ved 1500 V transient i 9 gadelamper.
Elektriske stressorer screenshot
Figur 1b: Fotoet viser hotspot på en varistor efter en impuls.

Denne artikel har været bragt i SPM Magasinet, august 2018.