41
Power Ele C Mark J University of ectronics Johnson f Nottingham

Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

  • Upload
    lamnhan

  • View
    214

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Power Electronics 

C Mark Johnson University of Nottingham 

Power Electronics 

C Mark Johnson University of Nottingham

Page 2: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Overview 

l Introduction to Power Electronics l Current Challenges for Power Electronics l  IeMRC Power Electronics Themes l Research Examples l Conclusions 

Introduction to Power Electronics Current Challenges for Power Electronics IeMRC Power Electronics Themes

Page 3: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

What Does Power Electronics Do? 

Efficient, flexible control and conversion of electrical energy 

AC 

AC 

•  Typically involves controlled change of voltage/current level and/or frequency 

•  Conversion efficiencies typically in excess of 90% 

AC sources: single phase or three phase AC 

Rectification 

Inversion 

AC­AC conversion 

AC loads: machines, industrial processes, power transmission and distribution systems 

conversion 

What Does Power Electronics Do? 

Efficient, flexible control and conversion of electrical energy 

DC 

DC 

Typically involves controlled change of voltage/current level 

Conversion efficiencies typically in excess of 90% 

DC sources: batteries, solar panel, power supply output 

Rectification 

Inversion 

conversion 

DC loads: electrical/electronic circuits, machines, industrial processes 

DC­DC conversion

Page 4: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Benefits of Power Electronics 

l  Energy saving l  Cost and space saving l  Reduced maintenance l  Longer life l  Low environmental impact 

Sustainability Environmental 

footprint Energy 

Efficiency 

Benefits of Power Electronics 

Energy Efficiency 

Availability Flexibility 

Quality of life 

l  Better performance l  Better control l  Flexibility l  Improved reliability

Page 5: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Power Electronics Applications 

1 cm 1 W 

Power Electronics Applications 

200 m 2 GW

Page 6: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Power Electronics is Growing 

Enabling technology throughout the energy supply chain 

Primary energy extraction & transport 

Energy conversion & concentration 

Electricity 39% 

Transport 21% 

Other 40% 

~16,000 TWh/annum global electricity 

40% today growing to 60% by 2040 80% of this will be managed by power electronics 

Power Electronics is Growing 

Enabling technology throughout the energy supply chain 

Energy transmission 

and distribution 

Energy delivery 

IT 14% 

Lighting 19% 

HVAC 16% 

Motion 51% 

Heat 

Work 

~16,000 TWh/annum global electricity 

80% of this will be managed by power electronics

Page 7: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

The Market 

l  Power electronics is an essential technology in all future sustainable energy scenarios 

l  It is the only technology that can deliver efficient and flexible control of electrical energy 

l  share of electrical energy which will be controlled by power electronics is expected to increase from 40% in 2000 to 80% in 2015 

l  Global market for power electronics devices in 2007 was $9.8bn and is expected to reach $17.7bn by 2013 with a compound annual growth rate of 11.6% 

l  In 2007 power electronics contributed to another $1 trillion of sales in related hardware electronics 

[1] “Power Electronics: Technologies and Global Markets” http://www.electronics.ca/reports/power_energy/utility_power_ele ctronics.html 

Power electronics is an essential technology in all future sustainable energy scenarios It is the only technology that can deliver efficient and flexible control of electrical energy share of electrical energy which will be controlled by power electronics is expected to increase from 40% in 

Global market for power electronics devices in 2007 was $9.8bn and is expected to reach $17.7bn by 2013 with a compound annual growth rate of 11.6% 1 

In 2007 power electronics contributed to another $1 trillion of sales in related hardware electronics 

[1] “Power Electronics: Technologies and Global Markets” http://www.electronics.ca/reports/power_energy/utility_power_ele

Page 8: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Growth areas for power electronics 

l  Power supplies: new concepts can improve overall efficiency by 2 4% 

l  Motor drives: use 50­60% of all electrical energy consumed in the developed world: a potential reduction in energy consumption of 20 30% is achievable. 

l  Home appliances: electronic thermostats for refrigerators and freezers can yield 23% energy saving: an additional 20% can be saved by using power electronics to control compressor motors (with 3­phase PMDC motors). 

l  Lighting: power electronics can improve the efficiency of fluorescent and HID ballasts by a minimum of 20%. 

l  Connection of renewable energy sources possible without power electronics. 

l  Future electricity networks will incorporate power electronics. l  Automotive: electric and hybrid drive trains are only possible with efficient and intelligent power electronics. 

l  Aerospace: weight savings through power electronics will reduce fuel demand over the flight cycle. 

Growth areas for power electronics 

new concepts can improve overall efficiency by 2­ 

60% of all electrical energy consumed in the developed world: a potential reduction in energy consumption of 20­ 

electronic thermostats for refrigerators and freezers can yield 23% energy saving: an additional 20% can be saved by using power electronics to control compressor motors (with 

power electronics can improve the efficiency of fluorescent and HID ballasts by a minimum of 20%. 

renewable energy sources to power grids is not possible without power electronics. 

will incorporate power electronics. electric and hybrid drive trains are only possible with 

efficient and intelligent power electronics. weight savings through power electronics will reduce 

fuel demand over the flight cycle.

Page 9: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Why Manufacture in the UK? 

l  UK based technology and manufacturing capability is currently relatively strong 

l  UK is internationally competitive across the whole supply chain 

l  Many systems are application specific, highly customised and tend to have a relatively high added value 

l  Suited to a technologically advanced manufacturing base and can absorb the relatively high UK labour costs 

Why Manufacture in the UK? 

UK based technology and manufacturing capability is currently relatively strong UK is internationally competitive across the whole 

Many systems are application specific, highly customised and tend to have a relatively high 

Suited to a technologically advanced manufacturing base and can absorb the relatively

Page 10: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Early History of Power Electronics 

1880 

Bridge rectifier (1896) 

Mercury arc rectifier (1902) 

Phase angle control (1903) 

I d1 

v L 

i as1 

i as2 

i L 

3 phase input 

I d2 

Cycloconverter (1922) 

Thyratron (1927) 

Selenium rectifier (1876) 

Early History of Power Electronics 

Thyratron (1927) 

Ignitron (1933) 

HVDC (1935) 

Thyristor (1957) 

Thyratron motor (1934) 

1960 

Silicon power diode (1954)

Page 11: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

0.4kV, 0.08kA 

1kV, 0.15kA 

2.5kV, 0.5kA 

2.5kV, 1.5kA 

4kV, 3kA 

0.6kV, 0.2kA 

2.5kV, 0.6kA 

4.5kV, 3kA 

6kV, 6kA 

1kV, 25A 

0.5kV, 0.2kA 

0.01 

0.1 

10 

100 

1960  1970  1980  1990 

Year 

Switc

hed Po

wer (M

VA) 

Development of Power Semiconductor Devices 

12kV, 1.5kA 

2.5kV, 1.5kA 

8kV, 4kA 

4.5kV, 3kA 

6kV, 6kA 

1kV, 25A 

0.5kV, 0.2kA 

1kV, 0.3kA 

1.2kV, 0.6kA 

1.7kV, 1.2kA 

3.3kV, 1.2kA 

6.5kV 0.9kA 

4.5kV, 2.1kA 

4.5kV, 4kA 

6kV, 6kA 

1990  2000 

ETT 

LTT 

GTO 

IGBT 

IEGT 

GCT 

Development of Power Semiconductor Devices

Page 12: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

What’s in Today’s Power Electronic Systems? 

S A+ 

S A­ 

D A+ 

D A­ 600 V 

C DC 20µF, 1000V 

GDU A  GDU B 

DC+ 

DC­ 

Passive components 

Gate drives and control 

semiconductor 

What’s in Today’s Power Electronic 

P A 

P B 

P C 

Half­bridge  sandwich  (one per phase) 

GDU C 

Power semiconductor 

module 

Thermal management

Page 13: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Overview 

l  Introduction to Power Electronics 

l Current Challenges for Power Electronics 

l  IeMRC Power Electronics Themes l Research Examples l Conclusions 

Introduction to Power Electronics 

Current Challenges for Power 

IeMRC Power Electronics Themes

Page 14: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Challenges in Power Electronics 

l  Increased power densities l  High reliability in extreme operating environments 

l  Lower electromagnetic emissions 

l  Modular turn­key systems l  Higher levels of integration l  Lower through­life costs 

Challenges in Power Electronics 

Higher levels of integration

Page 15: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Structured collection of expert input at workshop 

Initial workshop review of results 

Roadmapping Roadmapping 

Online review of roadmap 

Challenges in Power Electronics: Road Mapping Exercise 

Knowledge database built from results 

Initial workshop review of results 

Roadmapping Roadmapping Process Process 

Challenges in Power Electronics: Road Mapping Exercise

Page 16: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Analysis 

Product Area 

Reliability and qualification 

Packaging and integration 

Thermal management 

Materials Technologies 

Efficiency 

Simulation and design methods 

Active devices Automotive power train  26  26  22  22  21  19 Renewable energy sources (grid interface and control) 22  21  18  19  23  19 Aircraft actuation  25  24  23  23  20  19 Aircraft power distribution  23  25  21  21  20  18 Aircraft generation  22  21  20  20  18  16 Marine propulsion  21  19  19  19  18  15 Automotive controls  21  21  18  16  16  17 Rail traction  21  20  18  19  16  16 High performance drives  21  18  20  20  16  16 Large industrial drives  21  18  16  16  13  14 Small drives for home appliances  17  15  14  13  16  16 Components: active  17  18  13  13  13  13 Aircraft engine controls  18  17  17  16  11  13 Power transmission and distribution infrastructure 14  15  11  13  12  11 Components: thermal management  13  14  13  11  11  10 Components: passive  11  13  11  11  9  6 Pulsed power  11  11  10  11  10  8 Other  1  1  1  1  1  1 Total Records  325  317  285  284  264  247 

l  Priority product areas l  Priority technology areas l  TRL analysis 

Active devices 

Power Quality 

Control 

Passive devices 

Life Cycle 

Business process 

Health and usage management 

Other 15  16  12  14  8  6  6  3  216 16  18  17  10  11  11  6  1  212 17  15  10  14  6  7  6  2  211 17  17  10  11  7  7  5  3  205 15  15  10  12  7  4  6  3  189 15  16  9  11  7  5  7  3  184 13  11  13  10  7  7  6  3  179 12  13  10  12  8  4  6  3  178 15  12  10  10  6  4  4  2  174 13  13  8  9  8  4  4  3  160 11  11  14  6  8  6  6  2  155 17  12  11  6  5  7  4  1  150 13  9  8  11  4  4  6  2  149 10  10  10  5  10  3  4  3  131 9  10  9  8  4  7  3  1  123 4  9  6  11  8  3  2  1  105 9  9  5  8  4  4  2  1  103 1  1  1  1  1  1  1  1  14 222  217  173  169  119  94  84  38  2838 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

0.9 

y2008  y2009  y2010  y2011  y2012  y2013  y2014  y2015  y2016  y2017 

TRL 1­2 TRL 3­4 

TRL 5­6 TRL 7­8 TRL 9

Page 17: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Priority Product Areas 

l  Many challenges apply to a large number of priority product areas 

l  Substantial potential for cross 

Product area 

Automotive power train Renewable energy sources (grid interface and control) Aircraft actuation Aircraft power distribution Aircraft generation Automotive controls Marine propulsion High performance drives Rail traction Large industrial drives 

Priority Product Areas 

Many challenges apply to a large number of priority 

Substantial potential for cross­sector activities 

Proportion of challenges 

58% Renewable energy sources (grid interface and control)  53% 

56% 58% 52% 50% 47% 50% 47% 44%

Page 18: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Priority Technology Areas 

l  Many challenges identify same priority technology areas 

l  Technology areas are strongly interdependent 

l  Priorities are mainly underpinning technologies that can be applied across many product sectors 

Technology area 

Reliability and qualification Packaging and integration Thermal management Materials technologies Efficiency Simulation and design methods Active devices 

Priority Technology Areas 

Many challenges identify same priority technology areas 

Technology areas are strongly interdependent 

Priorities are mainly underpinning technologies that can be applied across many product sectors 

Proportion of challenges 

61% 65% 56% 55% 56% 44% 47%

Page 19: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

The Power Density Challenge 

l  How far can we go? l  Limiting factors:

• Losses (efficiency) • Cooling capability (heat transfer from surface)

• Energy storage requirements (filters etc.)

• Upper limit for “core” temperature 

Converter volume 

Core temperature (Tcore) 

The Power Density Challenge 

Cooling capability (heat transfer from 

Energy storage requirements (filters 

Upper limit for “core” temperature 

Heat 

Cooling

( ) 2 

~

−  a core eff 

T T h P V η

Page 20: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

The Reliability Challenge 

l  Automotive drive train, rail traction, aerospace, renewable generation interfaces etc. are subject to significant load and environmental cycling 

l  Desire for higher power density means temperatures and increased thermal cycling range – both tend to reduce reliability 

l  However… l  Customers demand very high levels of unexpected failures are not acceptable 

l  Unscheduled maintenance expensive 

The Reliability Challenge 

Automotive drive train, rail traction, aerospace, renewable generation interfaces etc. are subject to significant load and environmental cycling Desire for higher power density means increased 

increased thermal cycling range reduce reliability 

Customers demand very high levels of availability, unexpected failures are not acceptable Unscheduled maintenance is time consuming and

Page 21: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Meeting the Challenge 

S A+ 

S A­ 

D A+ 

D A­ 

GDU A 

DC+ 

DC­ 

P A 

Reliability 

Packaging & Integration 

Prognostics & Health Management 

Design Tools & Methodology 

Component Technologies 

Power Quality 

Energy Efficiency 

Mission Profile 

Reliability/ Availability 

Meeting the Challenge 

Thermal Management 

Packaging & Integration 

Prognostics & Health Management 

Design Tools & Methodology 

Component Technologies 

Weight 

Volume 

Mission Profile 

Through­life Cost

Page 22: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Power Electronics Integration 

l  Performance specifications for power electronics include electrical, reliability, cost and end targets 

l  Strong interactions between packaging, thermal performance and reliability themes means ALL aspects of power electronics technology must be addressed concurrently 

l  An integrated approach is essential in the design and manufacture of future power electronic systems 

Power Electronics Integration 

Performance specifications for power electronics include electrical, reliability, cost and end­of­life 

Strong interactions between packaging, thermal performance and reliability themes means ALL aspects of power electronics technology must be 

An integrated approach is essential in the design and manufacture of future power electronic

Page 23: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Overview 

l  Introduction to Power Electronics l Current Challenges for Power Electronics 

l IeMRC Power Electronics Themes l Research Examples l Conclusions 

Introduction to Power Electronics Current Challenges for Power Electronics 

IeMRC Power Electronics Themes

Page 24: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

IeMRC Projects in Power Electronics 

Aim: Enhance competitiveness of the UK power electronics industry through world into design and manufacturing 

Product Area 

Reliability and qualification 

Packaging and integration 

Thermal management 

Materials Technologies 

Efficiency 

Simulation and design methods 

Active devices 

Power Quality 

Control 

Passive devices 

Life Cycle 

Business process 

Health and usage management 

Other Automotive power train  26  26  22  22  21  19  15  16  12  14  8  6  6  3  216 Renewable energy sources (grid interface and control) 22  21  18  19  23  19  16  18  17  10  11  11  6  1  212 Aircraft actuation  25  24  23  23  20  19  17  15  10  14  6  7  6  2  211 Aircraft power distribution  23  25  21  21  20  18  17  17  10  11  7  7  5  3  205 Aircraft generation  22  21  20  20  18  16  15  15  10  12  7  4  6  3  189 Marine propulsion  21  19  19  19  18  15  15  16  9  11  7  5  7  3  184 Automotive controls  21  21  18  16  16  17  13  11  13  10  7  7  6  3  179 Rail traction  21  20  18  19  16  16  12  13  10  12  8  4  6  3  178 High performance drives  21  18  20  20  16  16  15  12  10  10  6  4  4  2  174 Large industrial drives  21  18  16  16  13  14  13  13  8  9  8  4  4  3  160 Small drives for home appliances  17  15  14  13  16  16  11  11  14  6  8  6  6  2  155 Components: active  17  18  13  13  13  13  17  12  11  6  5  7  4  1  150 Aircraft engine controls  18  17  17  16  11  13  13  9  8  11  4  4  6  2  149 Power transmission and distribution infrastructure 14  15  11  13  12  11  10  10  10  5  10  3  4  3  131 Components: thermal management  13  14  13  11  11  10  9  10  9  8  4  7  3  1  123 Components: passive  11  13  11  11  9  6  4  9  6  11  8  3  2  1  105 Pulsed power  11  11  10  11  10  8  9  9  5  8  4  4  2  1  103 Other  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  14 Total Records  325  317  285  284  264  247  222  217  173  169  119  94  84  38  2838 

Technology Drivers 

Market/customer Aspirations 

Road mapping 

IeMRC Projects in Power Electronics 

Enhance competitiveness of the UK power electronics industry through world­leading research 

manufacturing 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

0.9 

y2008  y2009  y2010  y2011  y2012  y2013  y2014  y2015  y2016  y2017 

TRL 1­2 TRL 3­4 TRL 5­6 TRL 7­8 TRL 9 

Technology Limiters 

Technology Opportunities 

Research & Development Requirements

Page 25: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

A Joined­Up Approach 

Reliability 

Packaging & Integration 

Prognostics & Health Management 

Design Tools & Methodology 

Experimental: testing, methodology, qualification Physics of failure models Model validation 

Research & Technology Core 

Up Approach 

Thermal Management 

Prognostics & Health 

Design Tools & 

New technologies: air and liquid cooling System optimisation Real­time models 

New technologies: materials, assembly methods System optimisation Integration of passives SiC & other WBG 

Technology Road­ mapping 

Technology Demonstration Projects TRL 3­6 

TRL 1­4

Page 26: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

IeMRC Power Electronics Cluster 

Design for qualification 

Flagship Project 

TSB­funded programmes in power electronics (TULIP & PEATE) 

Power electronics roadmap 

Other IeMRC projects on Advanced Capacitors, Prognostics & Diagnostics 

EU­funded aerospace research within MOET and Clean Sky JTI 

Reliability and Physics of Failure 

IeMRC SiP Design 

EPSRC Grand Challenge: 

3­D Mintegration 

IeMRC Power Electronics Cluster 

Design for qualification 

Advanced packaging 

TSB­funded research into improved bonding technology (IMPECT & NEWTON) 

EPSRC­funded research in SiC: Platform grant & responsive mode 

electronics roadmap 

TSB­funded research into modelling of power modules (MPM) 

EPSRC Grand Challenge: D Mintegration 

Cluster approach maximises gearing and mutual coupling between projects

Page 27: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Academic Partners 

power electronics, module design and failure analysis, packaging, EMC, thermal management 

partial discharge effects 

Materials support, interconnect, capacitors 

component technologies, power electronics 

Academic Partners 

physics­of­failure reliability predictions, multi­physics modelling and numerical optimisation, design tools 

partial discharge  high­permittivity dielectrics and Silicon Carbide device fabrication 

metallography and microscopy 

component technologies,

Page 28: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Industrial Partners 

l  Areva T&D l  Corac Group l  Dynex Semiconductor l  Flomerics (Mentor Graphics) l  Hispano Suiza (Safran) l  Goodrich l  GE Aviation l  International Rectifier l  Morgan Technical Ceramics l  Rolls­Royce l  Semelab (TT Electronics) l  SR­Drives l  TRW Automotive l  Zodiac 

Industrial Partners 

Flomerics (Mentor Graphics) 

Morgan Technical Ceramics

Page 29: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Overview 

l  Introduction to Power Electronics l Current Challenges for Power Electronics l  IeMRC Power Electronics Themes 

l Research Examples l Conclusions 

Introduction to Power Electronics Current Challenges for Power Electronics IeMRC Power Electronics Themes 

Research Examples

Page 30: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

IeMRC Flagship Project 

l  Aim: Enhance competitiveness of the UK power electronics industry through improvements to the design and manufacturing 

l  Key target is technologies and techniques to improve power module performance 

l  Total IeMRC funding £811 k, 5 directly academic partners, 11 industrial partners 

l  Fundamental research that underpins many activities 

l  Total of “geared” funding exceeds £8 M 

IeMRC Flagship Project 

Aim: Enhance competitiveness of the UK power electronics industry through improvements to the 

manufacturing capability Key target is technologies and techniques to improve power module performance Total IeMRC funding £811 k, 5 directly­funded academic partners, 11 industrial partners Fundamental research that underpins many 

Total of “geared” funding exceeds £8 M

Page 31: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Flagship Themes 

l  Road mapping: A UK centred power electronics road map highlighting the research priorities for IeMRC/EPSRC and TSB support was published in 2007 

l  Technology watch: The project maintains a “technology watch” on emerging technologies for power electronic modules and associated thermal management systems 

l  Reliability and physics of failure • Combined Modelling and Accelerated Life Testing carried out by 

academic and industrial partners • Identify Root Cause (Physics) of Failures • Develop Physics of Failure models • Apply validated models: 

»  to assess design options (MPM project) »  prognostics and health management (IeMRC prognostics and diagnostics 

project) 

l  Advanced packaging: investigate the feasibility of a range of advanced power electronic module manufacturing technologies: • Capacitor technology • Thermal management technology • Novel Interconnect and die attach • Enhanced wire bonding 

Flagship Themes 

A UK centred power electronics road map highlighting the research priorities for IeMRC/EPSRC and TSB 

The project maintains a “technology watch” on emerging technologies for power electronic modules and associated thermal management systems Reliability and physics of failure 

Combined Modelling and Accelerated Life Testing carried out by academic and industrial partners Identify Root Cause (Physics) of Failures Develop Physics of Failure models 

to assess design options (MPM project) prognostics and health management (IeMRC prognostics and diagnostics 

investigate the feasibility of a range of advanced power electronic module manufacturing technologies: 

Thermal management technology Novel Interconnect and die attach

Page 32: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Power Electronic Modules 

l  Principal functional element of power electronics l  Physical containment for one or more basic component building blocks e.g. semiconductor dies, resistors, etc. 

l  Can include control and protection functions l  Protection from environment e.g. ingress of liquids, dust etc. 

l  Circuit interconnections (internal and external) l  Electromagnetic management l  Thermal Management 

Power Electronic Modules 

Principal functional element of power electronics Physical containment for one or more basic component building blocks e.g. semiconductor 

Can include control and protection functions Protection from environment e.g. ingress of 

Circuit interconnections (internal and external) Electromagnetic management – EMC issues

Page 33: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Anatomy of Typical Module and Heatsink 

Lead­out interconnect Bond wire Encapsulation Housing 

Thermal stack has 9 layers, 8 interfaces! 

Heatsink Thermal Grease Copper baseplate 

Anatomy of Typical Module and 

Solder Direct bonded copper Ceramic Direct bonded copper Solder Die 

Thermal stack has 9 layers, 8 interfaces!

Page 34: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Reliability Limitations 

CTE mismatch causes fatigue failure (de­bonding) at heel 

CTE mismatch causes fatigue failure at interfaces 

Repeated heating and cooling of assembly leads to repetitive mechanical stress and eventual failure 

Reliability Limitations 

Copper baseplate Solder Direct bonded copper Ceramic Direct bonded copper Solder Die Bond wire 

Repeated heating and cooling of assembly leads to repetitive mechanical stress and eventual failure

Page 35: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

l  Combined Modelling and Accelerated Life Testing 

l  Identify Root Cause (Physics) of Failures 

l  Develop Physics of Failure models l  Apply in design process and health management 

Investigating Reliability Limitations 

Identify Root Cause (Physics) of 

Develop Physics of Failure models Apply in design process and health 

Investigating Reliability Limitations 

0.1 

1.0 

10.0 

100.0 

1000.0 

10000.0 

10  100  1000 

delta T (K) 

Thou

sand

s of Cycles 

500 

1000 

1500 

2000 

2500 

3000 

3500 

4000 

numbe

r of c

ycles to fa

ilure 

1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11 substrate tile number 

­60 to 150 C air­to­air 

­60 to 150 C 

No failure 

ref 

ref ref  T 

T T T N N

− −

∆ ∆

=  1 1 

1

Page 36: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Thermal Management Options 

l  Target overall reductions in weight and volume for liquid­cooled systems 

l  Comparison of cooler options: • Conventional base­plate and separate cooler • Integrated base­plate cooler • Direct cooler (no base­plate) 

Base­plate (1­3mm) 

Cold plate  Integrated base­ 

9 layers 8 interfaces 

7 layers 6 interfaces 

Thermal Management Options 

Target overall reductions in weight and volume cooled systems 

Comparison of cooler options: plate and separate cooler 

plate cooler plate) 

­plate cooler  Direct substrate cooler 

7 layers 6 interfaces 

5 layers 4 interfaces

Page 37: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

1.  Jet impingement 2.  Heat transfer 3.  Mixing of working fluid 

Heat from Electronics 

l

Impingement Cooling 

Heat from Electronics 

Jet impingement reduces thermal gradient and thermal resistance Heat transfer coefficient increases (>30 kW/(m 2 K) achieved) 

Impingement Cooling

Page 38: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Impingement Cooling 

l  Prototype coolers manufactured in Stainless Steel (17­4 PH SS) using the Direct Metal Laser Sintering (DMLS) rapid prototyping process 

l  Grooves machined into the baseplate to improve sealing between adjacent cooling cells 

Direct cooling of baseplate 

Impingement Cooling 

Prototype coolers manufactured in Stainless ) using the Direct Metal Laser 

) rapid prototyping process Grooves machined into the baseplate to improve sealing between adjacent cooling cells 

Direct cooling of DBC substrates

Page 39: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Thermal Impedance 

l  Measure of the ability of the cooler to cope with step inputs and thermal transients 

l  Cooling curves at a coolant flow rate of 4 litres/minute 

Thermal Step Response ­ IGBT Die Temperature 

0.001  0.01  0.1 Time (seconds) 

Die to

 Coo

lant Tem

perature 

Differen

ce 

COLDPLATE  BASEPLATE 

Thermal Impedance 

Measure of the ability of the cooler to cope with step inputs and 

Cooling curves at a coolant flow rate of 4 litres/minute 

Thermal Step Response ­ IGBT Die Temperature 

10 

15 

20 

25 

30 

35 

40 

45 

50 

1  10  100 Time (seconds) 

BASEPLATE  SUBSTRATE

Page 40: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

l  Power required to pass coolant fluid through the cooler l  Data shown is for flow rates up to 4 litres/min 

Die To Coolant Temperature Difference vs Pumping Power 

0.00  0.01  0.10 

Pumping Power Required (Watts) 

Die to

 Coo

lant Tem

perature 

Differen

ce (K

SUBSTRATE  BASEPLATE 

Pumping Power 

Power required to pass coolant fluid through the cooler Data shown is for flow rates up to 4 litres/min 

Die To Coolant Temperature Difference vs Pumping Power 

30 

40 

50 

60 

70 

80 

90 

100 

1.00  10.00  100.00 

Pumping Power Required (Watts) 

BASEPLATE  COLDPLATE 

Pumping Power

Page 41: Introduction to Power Electronics - Loughborough … write up/Power... · What Does Power Electronics Do? Efficient, flexible control and conversion of electrical energy AC AC •

Conclusions 

l  Power Electronics: • Underpins future transport and electricity supply networks • Is a current and future growth area • Is an area of UK strength 

l  Key challenges for power electronics include: • Increased power densities • Lower electromagnetic emissions • High reliability in extreme operating environments • Modular turn­key systems • Higher levels of integration • Lower capital and maintenance costs 

l  IeMRC supports research as part of a coordinated programme addressing the key challenges 

Underpins future transport and electricity supply networks Is a current and future growth area Is an area of UK strength 

Key challenges for power electronics include: Increased power densities Lower electromagnetic emissions High reliability in extreme operating environments 

key systems Higher levels of integration Lower capital and maintenance costs 

IeMRC supports research as part of a coordinated programme addressing the key challenges