Feil i kraftelektronikk oppstår ikke isolert. Termomekaniske påkjenninger forårsaket av ulike termiske ekspansjonskoeffisienter mellom sammenføynede materialer i en IGBT fører ofte til alvorlige feil som løsrivelse av bondetråder eller degradering av loddelag. Slike feil er kritiske og regnes som hovedårsaker til svekket levetid. Innen mikroelektronikk er halvlederrelaterte feil som elektromigrasjon, tidsavhengig gjennombrudd, hot carrier-injeksjon, negativ temperaturinversjon ved bias, samt sammenbrudd av gateoksid og passivasjonslag velkjente fenomener. Disse feilene har lav aktiveringsenergi og kan derfor manifestere seg selv i høyenergi kraftkomponenter. Konsekvensen er endrede elektriske parametre i IGBT-en og en akselerert degradering som følge av termomekanisk utmattelse.

Av den grunn retter produsenter av kraftkomponenter sin pålitelighetsforskning i to hovedretninger: kontroll over hot carrier-injeksjon og relaterte fenomener som krever strålingsherding, samt reduksjon av teknologisk parameter-variasjon for å sikre mer robuste design. Det bemerkelsesverdige er at selv såkalte "Hi-Rel"-komponenter ofte leveres i de samme innkapslingsformatene som konvensjonelle IGBT-er eller MOSFET-er. I beste fall benyttes hermetiske kapslinger for å motvirke sjeldne miljømessige påvirkninger som fukt eller støv.

Den samtidige forekomsten av utmattelsesfeil både i mikroelektronikken og i innkapslingen krever en mer avansert modellering. Den konkurrerende risikomodellen har vist seg effektiv, ved å redusere analysen til enten mikroelektronikkfeil – som i lav-effekt MOSFET-er – eller til termomekaniske feil i høyeffektkomponenter som IGBT og IGCT. Likevel finnes det ingen verktøy som integrerer slike modeller med konvensjonelle kretssimulatorer. Et opplagt behov for fremtiden er et samlet verktøy som besvarer spørsmål som: "Hvis jeg endrer gate-motstanden fra 10 Ω til 20 Ω i denne omformeren, øker da MTBF fra 100 000 til 145 000 timer?"

Pålitelighetstesting i fabrikkmiljø følger ikke en universell metode, men er delt i to hovedklasser: burn-in for å eliminere tidlig svikt, og kvalifikasjonstester for å møte krav definert i standarder som JIS C 7021 (Japan) eller IEC 60747/60749 (Europa). Kvalifikasjonstestene utføres på produksjonsprøver og inkluderer høytemperatur-revers bias, gate-stresstester, tester for temperaturstabilitet i kapslingen, samt mekanisk integritet gjennom vibrasjons- og støtprøver.

Disse testene isolerer produktene fra virkelige bruksbetingelser og tillater kun vurdering ut fra akselererte feilmodeller. Derfor blir pålitelighetsdesign – "design for reliability" – stadig mer sentralt. Dette innebærer å bygge pålitelighet inn i selve konstruksjonen, hvor systemkrav allokeres til undersystemer, og design- og pålitelighetsingeniører arbeider parallelt. Her benyttes blokkdiagrammer og feiltrær for å analysere relasjoner og sannsynlige feilforløp. Tradisjonelle modeller, basert på historiske feilrater, er begrenset i presisjon, men nyttige for å sammenligne alternative design.

Et alternativ er å anvende fysikkens prinsipper for å forstå og modellere feil. Dette innebærer en detaljert forståelse av materialegenskaper, stress, styrke og sviktnivå på komponentnivå. Slike analyser fører til optimalisering og redesignet av enkeltkomponenter – ofte ved å ta i bruk nye materialer. Her trengs et multiphysisk rammeverk som integrerer termisk og mekanisk modellering.

Med forskyvningen fra funksjonalitetsorientert design til bærekrafts- og pålitelighetsverifikasjon har det oppstått nye retninger for FoU. Dette omfatter analyse av komponenters levetid under definerte forhold, vurdering av evne til å fungere under ekstreme forhold eller i feillogiske tilstander uten katastrofale følger, og beregning av sannsynligheten for at en enhet utfører sin funksjon innenfor en definert tidsramme.

Innen rene pålitelighetsteknikker dominerer modeller som Weibull-analyse, akselerert levetidstesting og termisk styring. Det store antallet metoder, sammen med kostnader og varierende krav, gjør at systematisk og akademisk tilnærming har fått økt betydning. Innen høyintegrerte kraftmoduler og passive komponenter finnes et økende forskningsfelt som fokuserer på ter

Hvordan analyserer vi harmoniske og digitale tvillinger i moderne effektomformere?

Analyseverktøyene for effektomformere har gjennomgått betydelige forbedringer de siste årene, ikke bare innen tap- og termisk analyse, men også innen pålitelighets- og levetidsvurderinger. Særlig interessant er verktøy som retter seg mot systempålitelighet, som også kan anvendes for effektomformere. En av de mest kritiske utfordringene ved analyse av effektomformere er håndteringen av harmoniske forstyrrelser, ettersom de fleste moderne omformere benytter høyfrekvent pulsbreddemodulasjon (PWM).

Den mest utbredte metoden for harmonisk analyse er bruk av hurtig Fourier-transformasjon (FFT). FFT utleder harmoniske komponenter fra prøver enten fra eksperimentelle målinger eller tidsdomene-simuleringer. Nøyaktigheten i FFT-resultatene avhenger i stor grad av hvordan transformasjonen er implementert, enten i programvare eller maskinvare. MATLAB® har en velkjent implementering kalt FFTW, utviklet på MIT, som muliggjør raske og presise analyser uten behov for omfattende justeringer når antall prøver er en potens av to. For effektomformere som opererer med en byttefrekvens på titalls kHz, anses ca. 100 prøver per bytteintervall som tilstrekkelig for å oppnå tilfredsstillende oppløsning.

For en grundig analyse anbefales det å benytte multimillion-punkts FFT, for eksempel over en million prøver, noe som i praksis kan gjennomføres effektivt i MATLAB® på moderne datamaskiner. Mange oscilloskoper har innebygde FFT-funksjoner, men disse begrenses ofte av lavere prøvestørrelser (f.eks. under 32 768 punkter), noe som reduserer nøyaktigheten. Likevel kan oscilloskoper lagre store mengder rådata for senere behandling i avanserte verktøy som MATLAB®, noe som gir mulighet for betydelig bedre harmonisk analyse.

To viktige begreper i harmonisk analyse med oscilloskop er oppløsning og spekterbredde (span). Oppløsningen bestemmes av tidsintervallet for datainnsamlingen, og en lengre datainnsamling gir finere frekvensoppløsning. For eksempel vil et 100 ms vindu gi en oppløsning på 10 Hz, noe som betyr at harmoniske komponenter kan skilles fra hverandre med denne frekvensavstanden. Spekterbredden bestemmes av halvdelen av oscilloskopets prøvetakingsfrekvens og avgjør den høyeste frekvensen som kan analyseres. For en omformer med 100 kHz byttefrekvens kreves derfor en prøvetakingsfrekvens på minst 10 MHz for korrekt analyse.

Siden effektomformere ofte inngår i komplekse kraftsystemer, har utviklingen av digitale tvillinger åpnet nye muligheter for analyse og styring. En digital tvilling er en virtuell representasjon av det fysiske kraftsystemet, som kontinuerlig oppdateres med sanntidsdata og benytter simulering, maskinlæring og andre avanserte metoder for beslutningsstøtte. Dette konseptet, som opprinnelig stammer fra systemstudier på 1990-tallet, har de siste tiårene blitt utviklet til å omfatte ulike nivåer: komponentnivå (individuelle omformere), eiendomsnivå (noen få omformere i samspill) og systemnivå (hele kraftsystemet).

Digital tvilling-teknologien muliggjør sanntidssimulering parallelt med faktisk drift, noe som åpner for avansert feilregistrering, energistyring og optimalisering under ulike driftsforhold. Dette skiller seg fra tradisjonelle simuleringer ved at digital tvilling kan håndtere et ubegrenset antall scenarier og aktivt bidra til styring og beslutninger uten at brukeren må følge alle simuleringer manuelt.

For leseren er det vesentlig å forstå at harmonisk analyse ikke bare handler om å avdekke frekvenskomponenter, men også om å kunne vurdere kvaliteten på datainnsamlingen, og hvordan dette påvirker tolkningen av resultater. Videre krever effektiv bruk av digitale tvillinger innsikt i hvordan modellene kontinuerlig kalibreres med faktiske målinger, og hvordan integrasjonen mellom simulering og virkelige systemer gir nye muligheter for driftssikkerhet og optimalisering i kraftsystemer.

Hvordan forberede og gjennomføre effektive møter med klienter: En praktisk guide
Hvordan teknologi endrer spredningen av falske nyheter og utfordrer tradisjonelle medier
Hvordan fungerer moderne firekvadrant-IGBT-syklokonvertere for direkte AC/AC-omforming?