Untersuchungen zur Lebensdauer von IGBT-Modulen für Schienenfahrzeuge

Abstract

Motorsteuerungen im Traktionsbereich von Schienenfahrzeugen haben einegeforderte Produktlebensdauer von 30 Jahren. Dieser lange Zeitraum erfordert eine äußerst hohe Langzeitzuverlässigkeit und stellt die Schienenfahrzeugindustrie vor eine enorme technologische Herausforderung. Um die notwendige Betriebssicherheit von verwendeten Halbleitern wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und Leistungsdioden zu gewährleisten, wird deren Zuverlässigkeit durch Prüfverfahren wie Sperrtests, Gatestresstests, Feuchtetests, thermische Schocktests, Temperaturwechseltests, Lastwechseltests, Vibrationstests etc. experimentell festgestellt. Der Betrieb von IGBTs ist verbunden mit Verlusten, die sich fast gänzlich aus thermischen Verlusten der Halbleiter und Verbindungsmaterialien zusammensetzen. Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten ergeben sich thermo-mechanische Spannungsbelastungen, die als Hauptursache für die Materialermüdung gelten. In dieser Arbeit werden die Verlusteinbringung durch unterschiedliche Belastungsformen sowie deren Auswirkungen betrachtet. Um die unterschiedlichen Belastungsformen wie den Stoß-, Umrichter- und Sinusbetrieb sowie den Lastwechsel als PowerCycling zu analysieren, wird eine umfangreiche elektrische, thermische und mechanische Betrachtung durchgeführt. Maßgeschneiderte Messungen, Simulationen und analytische Berechnungen ermöglichen dabei eine Charakterisierung der Komponenten auf Basis der elektrischen Größen. Im Zuge der Untersuchungen wird eine Stoßbelastung, wie sie bei elektrischen Kurzschlüssen auftritt, mit dem typischen Betriebsfall verglichen. Ebenso wird eine Betrachtung der Energieeinbringung und dessen Energiedichte von bis zu146 kW/mm3 innerhalb der aktiven Chipfläche dargestellt. Die dynamischen Vorgänge ergeben Temperaturen von ~ 300°C und eine Umkehrung der Grenzflächenspannung, was in Form von analytischen und FE-Analysen aufgezeigt wird. Bei der experimentellen Untersuchung der thermo-mechanischen Auswirkungen unter Umrichterbedingungen wird neben der Verlustbilanz unter Berücksichtigung des veränderten Schaltverhaltens des Halbleiters auch auf die frequenzabhängigen Chipverluste und ihre stark zunehmenden periodischen thermo-mechanischen Effekte eingegangen.Bei Halbleiterbeanspruchungen mit Power-Cycling-Laststößen werden die Änderung des Durchlasskennlinienfeldes und die Temperaturverläufe entlang der Bonddrähte dargestellt. Der detailliert untersuchte Zusammenhang zwischen thermischer und mechanischer Auswirkung im Power-Cycling-Test ermöglicht es, die thermo-mechanische Stressbelastung in eine gleichgestellte mechanische Stressbelastung zu überführen.Es wird ersichtlich, dass der Chip im Power-Cycling-Betrieb eine größere mechanische Auslenkung als im Umrichterbetrieb aufweist. Der Bonddraht wiederum zeigt im Power-Cycling-Betrieb eine niedrigere mechanische Auslenkung als im Umrichterbetrieb.Abschließend wird eine Fahrstreckenbetrachtung herangezogen, die eine Analyse der Fahrzeugparameter mit den Umgebungsbedingungen erläutert. Dabei zeigt sich, dass äußerliche Parameter wie z. B. die Wetterlage als signifikante Einflussgrößen für elektrische Umrichterbelastungen kaum eine Rolle spielen. Vielmehr werden neben den Fahrstreckenparametern die FahrerInnen als relevante Einflussgröße ermittelt.