Reliability in power electronics for electric energy converters

Abstract

Um den aktuellen Herausforderungen von Zuverlässigkeit für erneuerbare Energiesysteme gerecht zu werden, sind ausgeklügelte Fehlerrobustheitsvalidierungen und Lebenszeitprognosen von Leistungselektronikgeräten notwendig. Diese Diplomarbeit hat einen weiteren Beitrag zum Fortschritt geleistet, indem neue Umsetzungen erarbeitet wurden, unter Berücksichtigung von drei wesentlichen Aspekten: ein Mission Profil von speziell auf den Einsatzbereich abgestimmten physikalischen Umgebungsdaten und Lastprofilen, eine Charakterisierung des festgelegten Systems und Module basierend auf allgemein bekannten Fehlermechanismen. Diese Untersuchung hat sich speziell auf das AIT Smart Grid Converter (ASGC) Leistungselektroniksystem bezogen. Die Systemcharakterisierung wurde evaluiert und daraus ein thermisches Modell erstellt, da die betrachteten Fehlermechanismen, sowohl der Elektrolyt Kondensatoren als auch der IGBT Halbleiterbauteile, vor allem von der Bauteiltemperatur abhängen. Besonders innovativ war in diesem Zusammenhang die Entwicklung des Modells für die Ermüdung der Halbleiterchips-Bauteilanschüsse, unter Verwendung des Rainflow-Algorithmus zur Berechnung von thermischen Zyklen. Unter Verwendung eines Mission Profiles aus dem Jahre 2017 mit offline Daten eines Photovoltaik Wechselrichters, Standort in Wien, Österreich, hat sich für das ausgearbeitete Modell die kosmische Strahlung als dominanter Ausfallsgrund gezeigt. Allerdings beinhalten diese Daten nur sehr geringe Belastungen für die Systembestandteile. Die Anwendung von weiteren Profilen und Messungen zur Systemcharakterisierung könnten daher zu einem Informationszuwachs führen.

To meet the challenges of nowadays reliability for renewable energy systems, the advancements of robustness validation and lifetime prediction for power electronic devices is an important subject. This thesis has done further progress by developing an implementation and considering three relevant aspects: an operation specific mission profile containing physical environment data as well as load and stress profiles, a system specific characterization and universal failure mechanism sourced modules. The study has focused on the AIT smart grid converter (ASGC) power electronic system. System characteristics have been evaluated and thermal models prepared since the investigated failure mechanisms of electrolytic capacitors and IGBT semiconductors are primarily driven by their temperature. A particularly innovation is the development of the bond-wire fatigue failure model with the use of the rainflow algorithm for the computation of thermal cycles. Based on the mission profile considering 2017's offline data of Vienna, Austria as the operation area for a photovoltaic converter, the results show the dominance of cosmic radiation failures of semiconductors for the prepared models. Nevertheless this mission profile contains only small loads and therefore provides slight stresses to the components. The use of further applications profiles would yield worthwhile information.