A Novel Approach for Rapid Reliability Assessment of Power Electronics under Combined Vibration and Thermal Loading

摘要

Tässä työssä on kehitetty menetelmä kattavan luotettavuusarvioinnin suorittamiseen. Menetelmä on suunniteltu tehoelektroniikalle yhdistettyyn tärinä- ja lämpörasitusympäristöön. Se perustuu kokeellisiin mittauksiin, Weibull malliin ja muokattuun Coffin-Mansonin elinikäennusteeseen. Menetelmän avulla voidaan ennustaa komponentin tai järjestelmän elinikä tärinärasituksessa eri lämpötiloissa. Se on suunniteltu erityisesti teollisuussovelluksiin, joissa kehityssyklit ovat tavallisesti nopeita.Menetelmän kehittämiseksi ja arvioimiseksi luotiin elinikäennuste ja suoritettiin vikaantumisanalyysi kokeellisesti testatulle D2PAK tehoelektroniikkakomponentille. Tulosten perusteella analysoitiin lämpötilan vaikutusta vikaantumiseen. Lämpötilalla on tunnetusti merkittävä vaikutus materiaaliominaisuuksiin. Materiaaliominaisuuksien muutos voi muuttaa systeemin mekaanista vastetta, ja täten merkittävästi vaikuttaa elinikään tärinärasituksessa. Lämpötilan muutos voi jopa johtaa uusiin vikaantumismekanismeihin. Näiden vaikutusten johdosta on olennaista ymmärtää lämpötilan vaikutus elinikään tärinärasituksessa. Ulkoilmaympäristöihin suunnitelluissa sovelluksissa, kuten ajoneuvojen voimansiirtojärjestelmissä, ympäristö voi olla huomattavasti perinteisiä sisätilasovelluksia rankempi. Haastavan ympäristön lisäksi näissä sovelluksissa vaaditaan pitkäaikaista luotettavuutta, esim. ajoneuvosovelluksissa tavallisesti vähintään kymmenen vuotta. Lämpösyklit ja korkeat käyttölämpötilat yhdistettyinä tärinään ja iskuihin muodostavat merkittävän uhan luotettavuudelle. Lisäksi kosteus ja epäpuhtaudet tekevät ympäristöstä entistä haastavamman. Tämän työn tulokset osoittavat, että on mahdollista luoda kattava ja tarkka luotettavuusarvio seuraamalla luotuja ohjeita.