Investigation of PD formation on AlN Ceramic Substrates: Impact of Square Voltage Pulses and Dielectric Liquids
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3096227Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2474]
Sammendrag
Det elektriske kraftsystemet gjennomgår en kompleks utvidelse og opplever raske spenningsendringer som skyldes endringer i driftsmønsteret. Disse forholdene har betydelig innvirkning på komponenter og utstyr i strømnettet, spesielt høyspenningskraftelektronikk som Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT). Det keramiske substratet inne i IGBT-ene er en av de mest kritiske delene av kraftmodulen og er utsatt for formasjonen av partielle utladninger (PD). Formålet med masteroppgaven var å bidra til videre forskning på Aluminiumnitrid (AlN) keramisk substrat og dets eksponering for PD-formasjon. Ett av formålene med oppgaven var å undersøke hvordan ulike parameter, som sinusformede og firkantformede spenningspulser, påvirker PD-formasjonen på substratet. Oppgaven inkluderte også en analyse av eventuelle variasjoner i PD-formasjon i to dielektriske væsker, Silikonolje og Nytro 10XN.
To eksperimentelle oppsett, et sinusformet og et firkantformet spenningsoppsett, ble brukt til å utføre PD-målingene av AlN-substratet. Det sinusformede spenningsoppsettet benyttet både elektriske og optiske målinger for å detektere PD, mens det firkantformede spenningsoppsett kun benytte optiske målinger. I noen av målingene i det firkantformede spenningsoppsett ble et høyhastighetskamera inkludert. De elektriske målingene ble utført ved bruk av Omicron MPD600, som er i samsvar med IEC 60270. De optiske målingene ble utført ved bruk av en fotomultiplikator, med en lys guide festet til linsen. Substratene ble plassert i en glassbeholder og dekket med enten silikonolje eller Nytro 10XN. Tre eksperimentelle prosedyrer ble brukt for å detektere PD-formasjon på substratet. Den første prosedyren involverte deteksjon av tennspenning for PD under sinusformede, bipolar og unipolar spenningspulser, der spenningen gradvis ble rampet opp og ned for å observere hvordan de ulike spenningspulsene påvirket PD-formasjonen. Den andre prosedyren innebar deteksjon av PD-formasjon langs kanten av substratet ved bruk av høyhastighetskameraet ved forskjellige bipolare spenningsnivåer. Den tredje prosedyren innebar variasjon av arbeidssyklusen til 5 % and 95 % for negativ unipolar spenningspulser og analyse av hvordan denne parameteren påvirket PD-formasjonen.
Resultatet fra tennspenningene indikerer at ulike spenningspulser har en betydelig innvirkning på PD-formasjonen på substratet. Uavhengige av de to dielektriske væskene, øker PD-formasjonen når substratet blir eksponert for firkantpulser sammenlignet med sinuspulser. Dette tyder på at stigetiden til spenningspulsen spiller en avgjørende rolle i PD-formasjonen. Videre viser resultatene at Nytro 10XN har en høyere tennspenning enn silikonolje når substratet blir eksponert for sinuspulser. I tilfelle av firkantpulser er dette forholdet omvendt, noe som tyder på at Nytro 10XN er mer følsom for stigetiden enn silikonolje. Resultatene fra høyhastighetskameraet avslørte at de avrunde kantene på substratet er mest utsatt for PD-formasjon. I tillegg viser resultatene fra høyhastighetskameraet at PD-formasjonen hovedsakelig skjer under flankene på bipolare spenningspulser, mens utladninger som oppstår under spenningsplattåene skyldes romladninger.
Funnene fra de ulike arbeidssyklusene avslørte at sannsynligheten for PD-formasjon er høyere under stigende flanker (fra null til høy spenning) sammenlignet med fallende flanker (fra høy til null spenning). PD-formasjon som oppstår under fallende flanker skyldes utelukkende romladninger som dannes under stigende flanke. Videre indikerte resultatene at variasjonen i arbeidssyklusen ikke var tilstrekkelige til å resultere i betydelige endringer i PD-formasjonen i silikonolje. Til tross for det resulterte en høyere arbeidssyklus i økt PD-formasjon og flere romladninger i Nytro 10XN, noe som ytterligere bekrefter at Nytro 10XN er mer følsom for utladninger når det utsettes for firkantpulser. Gitt at flertallet av målingene ble utført med optiske målinger, bør det gjennomføres ytterligere tester med implementering av elektriske målinger for å oppnå mer pålitelige resultater. The electrical power industry is undergoing complex expansion and is experiencing rapid voltage changes caused by changes in operation patterns. These conditions significantly impact the components and equipment in the power grid, especially high-voltage power electronics such as Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). The ceramic substrate within an IGBT is one of the most critical parts of the power module and is exposed to Partial Discharge (PD) formation. Therefore, the master thesis aimed to contribute to further research on Aluminium Nitride (AlN) ceramic substrate and their exposure to PD formation. Hence, the objective of the thesis was to investigate how various parameters, such as sinusoidal and square voltage pulses, influence the PD formation on the substrate. In addition, the thesis also aimed to study the potential variations of PD formation in two dielectric liquids, Silicone oil and Nytro 10XN.
The measurements of PD formation of the AlN substrate were conducted using two experimental setups, sinusoidal and square voltage setups. The experimental sinusoidal voltage setup used electrical and optical measurements to detect PD, while the experimental square voltage setup only provided optical measurements. In addition, an ultra-fast gated intensified high-speed camera was included in some of the measurements for the square voltage setup. The electrical measurements were provided with the use of Omicron MPD600, which complies with IEC 60270. The optical measurements were provided by using a Photomultiplier Tube (PMT) with a light guide attached to the lens. The substrates were placed in a sample holder and covered with Silicone oil or Nytro 10XN. Three experimental procedures were used to detect the PD formation in the substrate. The first experimental procedure involved detecting the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) under sinusoidal, bipolar, and unipolar voltage pulses, where the voltage was ramped up and down, to observe how the different voltage pulses would affect the PD formation. The second experimental procedure involved detecting PD formation along the edge of the substrate using a high-speed camera at various bipolar voltage levels. The third experimental procedure involved varying the duty cycle of 5 % and 95 % for negative unipolar voltage pulses and analyzing how this parameter impacts PD formation.
The PDIV results indicate that different voltage pulses significantly impact PD formation on the surface. Regardless of the two dielectric liquids, the PD activity is notably increased when exposed to square voltage pulses, compared to sinusoidal voltage pulses. This observation suggests that the rise time of the voltage pulse plays a crucial role in PD formation. Furthermore, the results indicate that Nytro 10XN has a higher PDIV than Silicone oil when exposed to sinusoidal voltage pulses. However, this relation is reversed under square voltage pulses, indicating that Nytro 10XN is more exposed to the rise time than Silicone oil. The findings from the high-speed camera revealed that the rounded edges of the substrates are most exposed to PD formation. Moreover, the high-speed camera results indicate that PDs primarily occur during the flanks of the bipolar voltage pulses. In contrast, discharges occurring during the voltage plateau are due to space charges.
The findings of the different duty cycles reveal that the probability of PD occurrence is higher during the voltage turn-on compared with the turn-off. PDs occurring during the voltage turn-off are solely due to the space charge accumulated during the voltage turn-on. Furthermore, the results indicated that the variations of the duty cycles were not sufficient enough to result in significant changes in the PD formation in Silicone oil. However, a higher duty cycle resulted in higher PD probability and more space charge formation in Nytro 10XN, further validating that Nytro 10XN is more prone to discharges when exposed to square voltage pulses. Given that the majority of the measurements were conducted with optical measurements, further tests with the implementation of electrical measurements should be conducted to provide more reliable results.