Zuverlässigkeit in der Leistungselektronik

Einführung

Schichten
Schichtaufbau eines Leistungsmoduls

Die Zuverlässigkeit eines leistungselektronischen Systems hängt in großem Maße von der Zuverlässigkeit der verwendeten Leistungstransistoren ab. Durch die fortschreitende Miniaturisierung sowie die Erschließung immer neuer Anwendungsgebiete in der Leistungselektronik werden die Leistungstransistoren immer höheren Belastungen ausgesetzt. Die Verlustleistung, welche während des Betriebs solcher Halbleiterbauelemente abhängig von der elektrischen Beanspruchung zwangsläufig entsteht, wird im Leistungstransistor in Wärme umgewandelt.
Durch wechselnde elektrische Beanspruchung entsteht somit eine über der Zeit teilweise stark veränderliche Verlustleistung. Da die Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird, entstehen thermische Wechsel unterschiedlicher Höhe, welche auf Grund des schichtweisen Aufbaus von Leistungstransistoren aus verschiedenen Materialien zu mechanischen Spannungen führen. Je nach Dauer und Höhe der thermischen Wechsel und der daraus resultierenden mechanischen Spannungen entstehen Fehlstellen im mechanischen Aufbau, welche je nach Belastung über kurz oder lang zu einem Ausfall des Transistors führen. Verstärkt wird diese Problematik noch dadurch, dass zusätzlich je nach Einsatzort, z.B. im KFZ, auch durch eine variierende Umgebungstemperatur zusätzliche thermische Wechsel entstehen.

Ziele

Durch eine intelligente Regelung der Temperatur der Leistungstransistoren ist es möglich, die Amplituden der entstehenden Temperaturwechsel zu minimieren. Dies führt folglich zu geringeren mechanischen Spannungen innerhalb der Halbleiterbauelemente und somit zu einer längeren Lebensdauer derselben. Gleichzeitig kann durch Verringerung der Verluste in den Leistungstransistoren auch bei drohender Übertemperatur ein Abschalten der Leistungselektronik teilweise verhindert und somit noch ein eingeschränkter Betrieb der Leistungselektronik ermöglicht werden.
Des Weiteren soll durch eine in regelmäßigen Abständen stattfindende Diagnose der thermischen Impedanz von der Sperrschicht des Transistors zum Kühlkörper die Möglichkeit geschaffen werden, den Zustand des Bauelements im eingebauten Zustand zu identifizieren. Dadurch kann eine Reparatur der Leistungselektronik eingeleitet werden, bevor durch einen unkontrollierten Ausfall weitere Schäden entstehen.

Temperatur_Leistungshalbleiter
Infrarotaufnahme eines Leistungsmoduls

 

 

Forschungsaktivitäten am ILEA

Messung
Thermische Impedanzmessung

Untersuchung verschiedener Methoden zur Regelung der Temperatur der Leistungstransistoren unter möglichst weitgehender Beibehaltung des elektrischen Betriebsbereichs an leistungselektronischen Schaltungen:

  • Untersuchung von Methoden zur Identifikation der thermischen Impedanz vom Leistungstransistor zum Kühlkörper im Betrieb eines Wechselrichters
  • Untersuchung verschiedener Möglichkeiten zur Bestimmung der Verlustleistung der Leistungstransistoren im Betrieb eines Wechselrichters
  • Untersuchung verschiedener Verfahren zur Bestimmung bzw. Erfassung der Sperrschichttemperatur der Transistoren
  • Entwicklung von Temperaturregelstrategien und Regelstrukturen

 

Ansprechpartner:
Johannes Ruthardt, M.Sc.
Dipl.-Ing. Julian Wölfle