Monitorización y diseño orientado a la fiabilidad de sistemas electrónicos de potencia

Resumen

Los sistemas electrónicos de potencia, encargados de la conversión del formato de la energía eléctrica, se encuentran actualmente en auge debido al creciente interés en tecnologías como la movilidad eléctrica o la generación de energía. Sin embargo, su uso en infraestructuras críticas trae asociado unos rigurosos requisitos de fiabilidad, tanto en términos de vida útil como de cantidad de fallos en operación. Las cada vez más estrictas especificaciones de diseño, en términos de eficiencia y densidad de potencia, y las cada vez más severas condiciones de operación, hacen que estos requisitos de fiabilidad sean cada vez más exigentes. Con todo esto, la mejora de la fiabilidad de los convertidores electrónicos de potencia ha sufrido un creciente interés tanto por parte de la comunidad científica como por parte de la industria. Esta mejora de la fiabilidad conlleva a su vez una reducción de costes, dado el aumento de la vida útil así como los menores costes de mantenimiento asociados. La fiabilidad de estos sistemas viene determinada por la fiabilidad de los componentes que lo forman, que a su vez depende del perfil de utilización en cada aplicación. De entre estos componentes, los dispositivos semiconductores de potencia son los más críticos en términos de fiabilidad, siendo la temperatura su principal causa de degradación. La mejora de la fiabilidad de estos componentes conlleva por tanto la mejora de la fiabilidad del sistema completo. En este contexto, el objetivo de esta tesis se enmarca en la mejora de la fiabilidad de los dispositivos semiconductores propios de un convertidor de potencia. Para ello, se proponen distintos métodos de monitorización de estos dispositivos, que permitan identificar su degradación antes de que el fallo ocurra, en las condiciones típicas de utilización de un convertidor. Además, se analiza la vida útil de los semiconductores en un convertidor de tracción, para así poder determinar cómo le afectan las distintas variables de diseño y proponer estrategias de mejora de vida. Dado que los fallos de los dispositivos semiconductores se producen principalmente en su encapsulado, su diseño interno define cómo se realiza su monitorización. Es por ello que se requiere un análisis del mismo, del cual resultan dos propuestas de sistemas de monitorización aptos para dispositivos construidos con un solo chip (singlechip) o que emplean varios chips en paralelo (multichip). Estos sistemas se basan en la monitorización en tiempo real de las variables de operación del dispositivo, que se emplean para la estimación de su temperatura de unión y para la detección de la degradación. Los sistemas propuestos se han integrado en prototipos de convertidor y se han probado en operación en distintos escenarios, analizando su posible implementación y validando su funcionamiento. A continuación, en base a los estudios existentes en la literatura, se realiza un estudio de fiabilidad de los semiconductores de un convertidor de tracción de autobús eléctrico urbano, considerando distintos perfiles reales de utilización. Sobre ese estudio se extraen las métricas de fiabilidad más relevantes del sistema, y se analiza la influencia de distintas variables de diseño en dichas métricas. Finalmente, se propone una estrategia de regulación de la capacidad de refrigeración del sistema de refrigeración de los semiconductores, con el objetivo de reducir el ciclado térmico que sufren estos dispositivos dado al perfil de utilización variable típico de la aplicación. Palabras Clave: Monitorización, Módulos Semiconductores de Potencia, Diseño Orientado a Fiabilidad, Convertidores de Potencia, Fiabilidad.