Postfault reliability impact analysis of modular design in medium voltage IGBT-based converters

Abstract

O projeto modular é amplamente aplicado em Conversores de Média Tensão e proporciona uma maneira fácil de substituir um conjunto de dispositivos danificados após eventos de falha, permitindo um rápido restabelecimento da operação. A disposição dos semicondutores em módulos de fase, por exemplo, permite que o sistema seja retirado de operação apenas para a substituição do módulo de fase defeituoso, que pode ser enviado ao fornecedor para reparo. Porém, a indicação dos semicondutores em falha dentro do módulo de fase geralmente é dada apenas pelo gate driver e por testes simples, com os dispositivos conectados no circuito, realizados com o auxílio de um multímetro durante o tempo de inatividade. Nesta dissertação de mestrado, é demonstrado que uma falha que ocorre em um módulo de potência IGBT de qualquer fase pode causar maiores consequências e os testes básicos podem não ser suficientes para detectar dispositivos degradados em outros módulos de fase. Isto é realizado através da modelagem, simulação e análise de duas faltas consecutivas em um caso real de aplicação de um conversor de média tensão de três níveis. Além disso, testes pós-falta com os semicondutores desconectados, offline, são realizados em amostras de IGBTs flat-pack que aparentemente sobreviveram ao caso real de falta. Os resultados revelam uma alteração relevante do parâmetro corrente de fuga entre Coletor e Emissor, o que suporta o questionamento dos benefícios do design modular. Os dispositivos de energia deteriorados podem não falhar imediatamente, mas terão uma expectativa de vida mais curta, impactando a confiabilidade geral, levando a uma falha subsequente de, provavelmente, maiores proporções.