Beschreibung
Leistungselektronische Schaltungen und damit die darin enthaltenen Leistungshalbleiterbauelemente werden heutzutage in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt. Mögliche Anwendungsgebiete reichen von der Automatisierungs- und Handhabungstechnik, Lüftungs- und Klimatechnik, Energieversorgung und -umwandlung bis hin zur Elektromobilität. Allgemein ist zu beobachten, dass die Frage nach der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer von Leistungshalbleitern eine immer bedeutender werdende Rolle spielt. Thermomechanische Belastungen der Materialien und Materialverbindungen innerhalb des Modulaufbaus, verursacht vor allem durch Temperaturwechsel im Betrieb sowie stark schwankende Umgebungstemperaturen, führen zur deren Ermüdung und somit zum Ausfall des Leistungshalbleiters. Die Zeitdauer bis zu einem Ausfall hängt dabei maßgeblich von der Amplitude und dem Niveau der Temperaturwechsel ab. Zunächst wird anhand Betrachtungen der dominierenden Ausfallmechanismen von Leistungshalbleitermodulen festgestellt, dass die Aufgabe einer lebensdauerorientierten Regelung vor allem darin liegen muss, die Amplitude von Temperaturzyklen möglichst gering zu halten. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiges Regelsystem vorgestellt, welches mittels Vorausberechnung der Temperaturen sowie der Temperaturhübe an den Halbleiterchips die Pulsfrequenz geeignet variiert. Die Vorausberechnung der Temperaturen schließt sowohl die Veränderung des mittleren Temperaturniveaus als auch die thermischen Zyklen innerhalb einer Periode der sinusförmigen Grundschwingung des Ausgangsstroms mit ein. Letztere sind relevant, weil leistungselektronische Schaltungen Betriebszustände annehmen können, bei welchen die Amplitude dieser thermischen Zyklen groß genug wird, um nennenswert Einfluss auf die Lebensdauer zu nehmen. Beispielhaft wird das in dieser Arbeit vorgestellte, neuartige Regelsystem an einem dreiphasigen Pulswechselrichter untersucht. Die Bewertung des lebensdauerorientierten Regelsystems erfolgt durch Vergleich mit einem herkömmlichen Antriebsregelsystem mit fester Pulsfrequenz. Dazu werden aus der Literatur bekannte Methoden zur Ermittlung der Lebensdauer bzw. der durch thermische Belastungen hervorgerufenen Schädigung von Leistungshalbleitern angewendet. Zur Ermittlung der thermischen Belastungen werden die tatsächlichen Temperaturverläufe an den Halbleiterchips ermittelt. Zur Durchführung der Messungen wurde eine Modellanlage aufgebaut, bei der die Temperaturen an geöffneten Modulen mit einer Infrarotkamera gemessen wurden.
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