Development of a power electronics reliability framework for thermo-mechanical failure mechanisms in photovoltaic converters

Abstract

Although the annual installed photovoltaic (PV) power in 2019 of 120 GWp was only a 10% increase from the previous year, a total world-wide solar photovoltaic power capacity of 638 GWp was reached at the end of 2019. This means that solar PV energy accounts for 2.7% of the global electricity generation which makes it the third largest renewable energy source preceded by hydropower and onshore wind. This global share might seem on the lower side but considering the current growth rates, solar energy is well on track to reach the Sustainable Development Scenario (SDS) level of 15% total annual electricity generation by 2030. In order to maintain this continued growth, the levelized cost of electricity (LCOE) should be reduced further by decreasing the investment and maintenance costs or by increasing the total efficiency and lifetime of the PV systems. The PV modules already have lifetime targets and warranties of 25 years but the power conversion stages are still lacking in this domain. Instead of discussing the reliability state-of-the-art for every component in a photovoltaic power converter as well as every available reliability assessment technique, chapter two focuses on one of the most failure-prone components, namely the power semiconductor device. These devices are currently the center of attention followed by capacitors in terms of power converter reliability. Understanding, monitoring and improving their reliability is therefore one of the highest priorities in the solar power electronics industry in order to reduce the operating and maintenance costs of the PV system and continue the LCOE decrease of solar energy. A state-of-the-art overview is provided regarding the chip-related and packagerelated failure mechanisms, the various stress and lifetime testing methods, the available lifetime models and the condition monitoring techniques together with all of the current shortcomings and bottlenecks. From the state-of-the-art overview, it can be concluded that calculating the lifetime of photovoltaic converters requires more research in order to provide accurate predictions. When also comparing different industries that utilize power electronics, it is clear that every sector requires its own reliability assessment tool that incorporates the application-specific mission profile. Such a tool has been developed in the third chapter in the form of a mission profile-based reliability framework for thermo-mechanical failure mechanisms in photovoltaic converters. This frame work was constructed as an alternative tool for performing sensitivity analyses of an initial power converter design to the thermo-mechanical stress generated by different external inputs in order to iteratively improve the reliability of the design. It reduces the need for extensive accelerated stress testing and can provide more insight in the effect of external inputs on a specific failure mechanism. Existing methods are used for the different methodology steps that can be individually interchanged depending on a time limitation or the desired accuracy. The main approach is derived from a design for reliability methodology that focuses on the physics of failure of the power semiconductor device. This is performed by using a combination of electro-thermal modelling, mission profile translation, reverse engineering and finite element method modelling. The main focus lies on the thermo-mechanical stress generated inside these components from the combination of large temperature swings and the mismatch in coefficients of thermal expansion (CTE) of the different material layers. Once a computationally efficient methodology is achieved and validated, the amount of time and costs per design iteration can be minimized to achieve a more reliable PV power converter design for a lower cost in a shorter time. In order to optimize the proposed framework, a first sensitivity analysis is performed in chapter four on one of the internal inputs or levels of detail included in the methodology. The main research objective is to quantify the influence of the temperature dependence of the electrical variables used in the electro-thermal model on the reliability and the computation time. The influence on the reliability is evaluated by using a 2-D finite element method model of a MOSFET and calculating the plastic energy dissipation density in the die-attach and the bond wires. The trade-off between computation time of the electro-thermal converter model and the generated plastic energy accuracy is reported when excluding a certain temperature dependence. The results indicate that the temperature dependence of the input and output capacitors causes no change in the plastic energy dissipated in the MOSFET but does introduce the largest increase in computation time. However, not including the temperature dependence of the MOSFET itself generates the largest difference in plastic energy of 10% as the losses in the die are underestimated. Lastly, chapter five demonstrates one iteration of the proposed reliability framework used in order to compare the generated thermo-mechanical stress in the die attach and the bond wires of a GaN and SiC MOSFET. An electro-thermal model of a photovoltaic string inverter is used in order to translate a cloudy and a clear one-hour mission profile from Arizona into a junction loss profile. Subsequently, the finite element method models of both devices are constructed through reverse engineering in order to analyze the plastic energy. The results show that the plastic energy in the die attach caused by a cloudy mission-profile is much higher than that caused by a clear mission-profile. The GaN MOSFET, in spite of its reduced losses, endures around 5 times more plastic energy dissipation density in its die attach than the SiC MOSFET while the reverse is true for the bond wires. Potential design adaptations for both devices have been suggested to initiate a new iteration in the design for reliability methodology, which will ultimately lead to a more reliable design.

Hoewel het jaarlijks geïnstalleerd fotovoltaïsche (PV) vermogen van 120 GWp in 2019 slechts een stijging van 10% was ten opzichte van het voorgaande jaar, werd eind 2019 een totale wereldwijde zonne-energie capaciteit van 638 GWp bereikt. Dit betekent dat zonne-energie goed is voor 2,7% van de wereldwijde elektriciteitsopwekking waardoor het de op twee na grootste bron van hernieuwbare energie is, voorafgegaan door waterkracht en wind op land. Dit wereldwijde aandeel lijkt misschien aan de lage kant, maar gezien de huidige groeipercentages ligt zonneenergie goed op schema om het Sustainable Development Scenario (SDS) niveau van 15% totale jaarlijkse elektriciteitsopwekking tegen 2030 te bereiken. Om deze voortdurende groei te behouden moeten de genivelleerde kosten van elektriciteit (LCOE) verder worden verlaagd door de investerings- en onderhoudskosten te verlagen of door de totale efficiëntie en levensduur van de PV-systemen te verhogen. De PV-modules hebben al levensdoelen en garanties van 25 jaar maar de vermogensomzetters schieten nog tekort in dit gebied. In plaats van de huidige betrouwbaarheid van elk onderdeel in een fotovoltaïsche vermogensomzetter te bespreken, evenals elke beschikbare betrouwbaarheidsbeoordelingstechniek, richt hoofdstuk twee zich op een van de meest falingsgevoelige componenten, namelijk de vermogenshalfgeleider. Deze componenten staan momenteel in het middelpunt van de belangstelling, gevolgd door condensatoren, in termen van betrouwbaarheid van de vermogensomzetter. Het begrijpen, monitoren en verbeteren van hun betrouwbaarheid is daarom een van de hoogste prioriteiten in de zonne-energie elektronica-industrie om de operationele kosten en de onderhoudskosten van het PV-systeem te verlagen en de LCOE-afname van zonne-energie voort te zetten. Er wordt een state-of-the-art overzicht gegeven van de chip- en verpakkingsgerelateerde faalmechanismen, de verschillende stress- en levensduurtestmethoden, de beschikbare levensduurmodellen en de conditiemonitoring technieken samen met alle huidige tekortkomingen en knelpunten. Uit dit state-of-the-art overzicht kan worden geconcludeerd dat het berekenen van de levensduur van fotovoltaïsche omvormers meer onderzoek vereist om nauwkeurige voorspellingen te kunnen doen. Bij het vergelijken van verschillende industrieën die vermogenselektronica gebruiken, is het duidelijk dat elke sector zijn eigen betrouwbaarheidsbeoordelingstool nodig heeft waarin het toepassingsspecifieke missieprofiel is opgenomen. Zo’n tool is ontwikkeld in het derde hoofdstuk in de vorm van een op missieprofiel gebaseerd betrouwbaarheidsraamwerk voor thermo-mechanische faalmechanismen in fotovoltaïsche omvormers. Dit raamwerk is geconstrueerd als een alternatief hulpmiddel voor het uitvoeren van sensitiviteitsanalyses van een initieel ontwerp van de vermogensomzetter voor de thermo-mechanische stress die wordt gegenereerd door verschillende externe inputs om zo de betrouwbaarheid van het ontwerp iteratief te verbeteren. Het vermindert de noodzaak van uitgebreide geaccelereerde stresstests en kan meer inzicht geven in het effect van externe inputs op een specifiek faalmechanisme. Voor de verschillende methodologiestappen worden bestaande methodes gebruikt die afzonderlijk kunnen worden uitgewisseld, afhankelijk van een tijdslimiet of de gewenste nauwkeurigheid. De benadering is afgeleid van een ontwerp voor betrouwbaarheid methodologie die zich richt op de faalfysica van de vermogenshalfgeleider. Dit wordt uitgevoerd door een combinatie van elektro-thermische modellering, vertaling van missieprofielen, reverse engineering en modellering aan de hand van de eindige elementenmethode. De belangrijkste focus ligt op de thermo-mechanische stress die in deze componenten wordt gegenereerd door de combinatie van grote temperatuurschommelingen en de mismatch in thermische uitzettingscoëfficiënten van de verschillende materiaallagen. Zodra een rekenkundig efficiënte methodologie is bereikt en gevalideerd kunnen de hoeveelheid tijd en kosten per ontwerpherhaling worden geminimaliseerd om een betrouwbaarder ontwerp van de PV-vermogensomzetter te verkrijgen tegen lagere kosten in een kortere tijd. Om het voorgestelde raamwerk te optimaliseren, wordt in hoofdstuk vier een eerste sensitiviteitsanalyse uitgevoerd op een van de interne inputs of detailniveaus die in de methodologie zijn opgenomen. Het doel is het kwantificeren van de invloed van de temperatuurafhankelijkheid van de elektrische variabelen die worden gebruikt in het elektro-thermische model op de betrouwbaarheid en de rekentijd. De invloed op de betrouwbaarheid wordt geëvalueerd door gebruik te maken van een 2-D eindige elementenmethode-model van een MOSFET en door de dichtheid in de plastische energiedissipatie in het bevestigingsmateriaal en de verbindingsdraden te berekenen. De afweging tussen de rekentijd van het elektro-thermische model en de nauwkeurigheid van de gegenereerde plastische energie wordt gerapporteerd bij het verwijderen van een bepaalde temperatuurafhankelijkheid. De resultaten geven aan dat de temperatuurafhankelijkheid van de input- en outputcondensatoren geen verandering veroorzaakt in de plastische energie die wordt gedissipeerd in de MOSFET, maar wel de grootste toename in rekentijd introduceert. Als de temperatuurafhankelijkheid van de MOSFET zelf echter niet wordt meegerekend, wordt het grootste verschil in plastische energie van 10% gegenereerd, aangezien de verliezen in het bevestigingsmateriaal worden onderschat. Ten slotte demonstreert hoofdstuk vijf een iteratie van het voorgestelde betrouwbaarheidsraamwerk dat wordt gebruikt om de gegenereerde thermo-mechanische stress in het bevestigingsmateriaal en de verbindingsdraden van een GaN- en SiC-MOSFET te vergelijken. Een elektro-thermisch model van een fotovoltaïsche stringomvormer wordt gebruikt om een bewolkt en een helder missieprofiel van één uur uit Arizona te vertalen naar een verliesprofiel van de MOSFET. Vervolgens worden de eindige-elementenmethode-modellen van beide apparaten geconstrueerd door middel van reverse engineering om zo de plastische energie te analyseren. De resultaten laten zien dat de plastische energie in het bevestigingsmateriaal die wordt veroorzaakt door een bewolkt missieprofiel veel hoger is dan die veroorzaakt door een helder missieprofiel. De GaN MOSFET, ondanks zijn verminderde verliezen, dissipeert ongeveer 5 keer meer plastische energie in zijn bevestigingsmateriaal dan de SiC MOSFET, terwijl het omgekeerde geldt voor de verbindingsdraden. Er zijn mogelijke ontwerpaanpassingen voor beide apparaten voorgesteld om een nieuwe iteratie in het betrouwbaarheidsraamwerk op gang te brengen, wat uiteindelijk zal leiden tot een betrouwbaarder ontwerp.