| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| RESEARCH ON THE MULTI-CHIP POWER MODULE RELIABILITY AND CONDITION MONITORING TECHNOLOGY | | Autor/a | Du, Xingfeng | | Departamento | Electrónica | | Director/a | Cóbreces Álvarez, Santiago | | Codirector/a | Yang, Yuan | | Fecha de defensa | 15-10-2026 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | Con el rápido desarrollo de los sistemas de generación de energía renovable, la tracción ferroviaria y los vehículos eléctricos, los módulos de potencia basados en transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) de múltiples chips se han convertido en dispositivos de conmutación fundamentales en sistemas convertidores de alta potencia. Cuando se someten de manera prolongada a ciclos de potencia, las distintas capas de encapsulado dentro del módulo sufren esfuerzos termomecánicos periódicos debido a la descoordinación de los coeficientes de expansión térmica, lo que provoca la acumulación de fatiga en la estructura del encapsulado. Entre los distintos mecanismos de degradación, la delaminación por fatiga térmica de la capa de soldadura del sustrato DBC y el desprendimiento de los hilos de unión de aluminio constituyen las dos principales formas de fallo del encapsulado. Las características iniciales de degradación suelen ser débiles, mientras que la estructura en paralelo de múltiples chips provoca un acoplamiento mutuo de las señales térmicas y de daño en los puntos de medición externos. Por ello, los métodos existentes presentan limitaciones en la resolución térmica a nivel de chip, la monitorización en línea de la degradación de la soldadura y la alerta temprana del desprendimiento de los hilos de unión.
Con el objetivo de desarrollar métodos de monitorización en línea del encapsulado de módulos IGBT de múltiples chips, esta tesis propone dos enfoques complementarios basadas en la percepción del campo de temperatura del sustrato de cobre y en la percepción de señales de emisión acústica. En particular, se investigan cuatro aspectos principales: reconstrucción del campo térmico, predicción de la temperatura de unión de cada chip, monitorización de la degradación de la capa de soldadura y diagnóstico del desprendimiento de hilos de unión. Las principales contribuciones de esta tesis son las siguientes:
1. Para abordar el problema inverso subdeterminado de la reconstrucción del campo de temperatura del sustrato de cobre bajo condiciones de matrices dispersas de termopares, se proponen dos métodos de reconstrucción con restricciones físicas. Para escenarios de despliegue de bajo coste y pequeña escala, se propone un método de reconstrucción en dos etapas basado en un perceptrón multicapa (MLP) con codificación de coordenadas. Las temperaturas medidas y las coordenadas espaciales se combinan para formar características aumentadas por coordenadas, las cuales son procesadas mediante una red MLP para generar una malla térmica intermedia y posteriormente se interpolan mediante interpolación bilineal hasta obtener una reconstrucción de alta resolución. Este método logra precisión de reconstrucción y capacidad de inferencia a nivel de milisegundos. Para escenarios industriales con monitorización paralela de múltiples módulos, se propone un método de reconstrucción colaborativa edge-cloud basado en una red generativa antagónica condicional con restricciones físicas (PC-cGAN). Las restricciones físicas de conducción térmica se incorporan al objetivo de entrenamiento mediante una pérdida adversaria de Wasserstein, combinadas con optimización de ubicación de sensores basada en minimización del número de condición y búsqueda de modelos mediante optimización por enjambre de partículas multiobjetivo. El método permite la reconstrucción paralela de múltiples módulos en plataformas edge y reduce el ancho de banda requerido para la transmisión hacia la nube.
2. Para resolver la dificultad de obtener directamente el vector de temperatura de unión de cada chip en módulos de múltiples chips conectados en paralelo, se estudia un método de predicción desde el campo térmico del sustrato de cobre hacia el vector de temperaturas de unión internas... |
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