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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Leistungsmodul, ein Leistungsmodul, eine Windkraftanlage sowie ein Verfahren zur Wartung einer Windkraftanlage.
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Bei Leistungsmodulen bildet die Temperatur von Halbleiterbauteilen der Leistungsmodule einen wichtigen Parameter, welcher eine thermische oder elektrische Überlast oder eine fortgeschrittene Alterung der Leistungsmodule anzeigt. Die Messung der Temperatur von Halbleiterbauteilen in Leistungsmodulen ist jedoch regelmäßig nicht direkt möglich, da schnell reagierende Temperatursensoren teuer sind oder in Hochspannungsfeldern nicht zuverlässig funktionieren.
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Temperatursensoren sind meist beabstandet von den Halbleiterbauteilen an Randbereichen der metallisierten Keramik angeordnet. Als Temperatursensoren werden NTC-Widerstände (NTC = (engl.) „Negative Temperature Coefficient“), Thermistoren oder sonstige Temperatursensoren eingesetzt. Infolge der Beabstandungen der Temperatursensoren messen diese Temperatursensoren die Temperatur der Halbleiterbauteile lediglich mittelbar. Eine genaue Erfassung der Temperatur von Halbleiterbauteilen solcher Leistungsmodule jedoch würde vorteilhaft eine frühzeitige Erkennung von Alterungsprozessen in Leistungsmodulen erlauben. So treten bei zunehmender Alterung von Leistungsmodulen Delaminationen (schleichende Abrisse) von Emitter- und Kollektorkontaktierungen von Schalt-IGBTs (IGBT = (engl.) „Insolated Gate Bipolar Transistor“), Lot- und Sinter-Ermüdungen von Chip- und Systemlot sowie Brüche und sukzessive Ermüdungsabrisse von Bondverbindungen auf. Solche Alterungserscheinungen führen typischerweise zu einer zunächst geringfügig und später stark erhöhten Betriebstemperatur der Halbleiterbauteile. Auf solch eine Erhöhung der Betriebstemperatur folgt regelmäßig ein Bondabbrand oder ein Chipkurzschluss durch thermisches Kurzlegieren, sodass das Leistungsmodul endgültig zerstört ist.
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Insbesondere bei Windkraftanlagen ist eine rechtzeitige Erkennung von Alterungsprozessen in Leistungsmodulen relevant, da die Zuverlässigkeit der Leistungsmodule ein relevanter Faktor für die aufwendige Wartung von Windkraftanlagen, gerade von Offshore-Windraftanlagen, ist.
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Es ist vor diesem Hintergrund Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Leistungsmodul bereitzustellen, welches kostengünstig und zuverlässig durchgeführt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Leistungsmodul, eine Windkraftanlage und ein Verfahren zur Wartung einer Windkraftanlage bereitzustellen, bei welchen ein drohendes Versagen des Leistungsmoduls oder der Windkraftanlage frühzeitig, kostengünstiger und zuverlässiger möglich ist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen und mit einer Windkraftanlage mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren zur Wartung einer Windkraftanlage mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur an und insbesondere in einem Leistungsmodul wird elektromagnetische Strahlung des Leistungsmoduls erfasst und zur Ermittlung der Temperatur oder einer davon abhängenden Größe herangezogen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine berührungslose Temperaturmessung an dem Leistungsmodul, insbesondere innerhalb des Leistungsmoduls, möglich. Insbesondere lässt sich die elektromagnetische Strahlung außerhalb des Leistungsmoduls detektieren. Folglich lässt sich das Verfahren einsetzen, ohne das Leistungsmodul notwendig in seinem inneren Aufbau modifizieren zu müssen. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr genau. So erlaubt die Intensität der erfassten elektromagnetischen Strahlung einen direkten Rückschluss auf die Temperatur des strahlungsemittierenden Bereichs des Leistungsmoduls, insbesondere eines Halbleiterbausteins des Leistungsmoduls. Geeigneterweise ist der Zusammenhang zwischen einer Intensität der erfassten elektromagnetischen Strahlung und der Temperatur des strahlungsemittierenden Bereichs des Leistungsmoduls nahezu linear. Da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hinreichend ist, die elektromagnetische Strahlung des Leistungsmoduls lediglich zu erfassen und es nicht etwa erforderlich ist, elektromagnetische Strahlung auszusenden, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zudem rein passiv einsetzen, d.h. das erfindungsgemäße Verfahren weist kein Störpotential für das Leistungsmodul selbst auf.
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Vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, um eine anliegende Überlastung des Leistungsmoduls zeitnah zu erkennen. Insbesondere lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Leistungsmodul auf eine atypische Änderung der Temperatur hin überwachen. Eine solche atypische Temperaturerhöhung hängt häufig mit einer thermomechanischen Ermüdung zusammen, welche erfindungsgemäß rasch erkannt werden kann.
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Vorzugsweise wird elektromagnetische Strahlung im für das menschliche Auge nicht sichtbaren Spektralbereich erfasst, insbesondere mit Wellenlängen von mindestens 1000 Nanometern, vorzugsweise mindestens 3 Mikrometern, insbesondere mindestens 30 und idealerweise zumindest 300 Mikrometern.
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Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von mindestens 0,3 mm und/oder höchstens 300 mm, vorzugsweise von mindestens 1 mm und/oder höchstens 100 mm herangezogen. In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden folglich Millimeterwellen der elektromagnetischen Strahlung herangezogen. In dieser Weiterbildung lassen sich die aktuellen Oberflächentemperaturen von Halbleiterbauteilen im normalen, serienmäßig vergossenen Zustand ohne eigens dafür erstellte Messkanäle erfassen.
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Zwar emittieren Metallflächen, wie sie typischerweise Chipkontakte, Leiterbahnen an Keramikplatinen und Bonddrähte, welche an die Halbleiterbauteile ankontaktiert sind, aufweisen, selbst keine Millimeterwellen. Aber insbesondere unmittelbar angrenzende, erwärmte Verguss-Schichten, etwa Weichverguss-Schichten, und/oder eine oder mehrere (zur elektrischen Isolierung vorgesehene) angrenzende, erwärmte Isolierschicht/en an der Oberfläche von Metallisierungen und Bonddrähten und Halbleiterbausteinen emittieren solche Millimeterwellen. Zwar werden solche Millimeterwellen auch durch gegebenenfalls vorhandene kältere Bestandteile des Leistungsmoduls aus Weich- und Hartverguss und/oder durch eine oder mehrere elektrische Isolierschicht/en zumindest teilweise absorbiert. Jedoch durchdringt ein hinreichend hoher Anteil der elektromagnetischen Strahlung den Weich- und Hartverguss und/oder die eine oder mehrere elektrische Isolierschicht/en sowie ein gegebenenfalls vorhandenes Gehäuse des Leistungsmoduls. Typischerweise ist also ein Leistungsmodul ausreichend transparent zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Besonders zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Leistungsmodul mit einem solchen Vergussmaterial, vorzugsweise Weichvergussmaterial, und/oder mit einer solchen elektrischen, vorzugsweise mit Kunststoff, insbesondere Silikon, gebildeten, Isolierschicht und/oder mit Kunststoff, insbesondere Silikon, herangezogen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muss dabei nicht notwendigerweise ein Leistungsmodul herangezogen werden, welches ein Vergussmaterial oder eine Isolierschicht aufweist, welche Millimeterwellen emittieren. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Leistungsmodul herangezogen werden, bei welchem temperaturabhängig Millimeterwellen emittierendes Material an der Oberfläche von Metallisierungen und/oder Bonddrähten und/oder Halbleiterbausteinen eigens zum Zweck der Erfassung der Temperatur geschichtet, gestäubt oder auf sonstige Weise angeordnet ist.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Intensität der elektromagnetischen Strahlung oder eine davon abhängende Größe, insbesondere als oder für ein Maß für die Temperatur, herangezogen. Vorteilhafterweise ist die Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung proportional zur Temperatur des strahlungsemittierenden Bereichs des Leistungsmoduls. In dieser Weiterbildung lässt sich folglich die Temperatur präzise und zuverlässig ermitteln. Zweckmäßigerweise bildet die Strahlungsleistung eine von der Intensität der elektromagnetischen Strahlung abhängende Größe. So hängt, wie an sich bekannt, die Strahlungsleistung als Flächenintegral der Intensität von der Intensität ab.
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Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die elektromagnetische Strahlung ortsaufgelöst erfasst. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich das Leistungsmodul räumlich rastern oder aber es wird an mehreren Stellen des Leistungsmoduls zeitgleich die elektromagnetische Strahlung und mit ihr folglich die Temperatur erfasst. Auf diese Weise lässt sich eine Temperaturverteilung des Leistungsmoduls gewinnen und als belastungscharakteristische Signatur speichern. Mittels eines Vergleichs mit Erfahrungswerten kann diese belastungscharakteristische Signatur bei fortschreitender thermomechanischer Ermüdung als Maß für den – ggf. bestehenden – aktuellen Schadensfortschritt dienen und damit als Basis für eine aktuelle Lebensdauerprognose herangezogen werden.
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Das erfindungsgemäße Leistungsmodul weist zumindest einen Detektor auf, welcher zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist. Ferner weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung auf, welche ausgebildet ist, die erfasste elektromagnetische Strahlung zur Bestimmung einer Temperatur in dem Leistungsmodul oder einer davon abhängenden Größe heranzuziehen. Mittels der Auswerteeinrichtung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls lässt sich folglich das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Leistungsmodul, wie es zuvor beschrieben worden ist, leicht durchführen. Alternativ oder zusätzlich weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul eine Kommunikationseinrichtung auf, mittels welcher Messdaten des Detektors zur erfassten elektromagnetischen Strahlung kommuniziert werden können, vorzugsweise drahtlos und zweckmäßig an eine extern vorgesehene separate Auswertvorrichtung. Zweckmäßigerweise ist der Detektor in einem Außen- oder Randbereich des Leistungsmoduls angeordnet. Auf diese Weise lässt sich ein herkömmliches Leistungsmodul leicht auf ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul aufrüsten. Ferner lässt sich in dieser Weiterbildung die elektromagnetische Strahlung des gesamten Leistungsmoduls mittels des einen oder mittels weniger Detektoren erfassen. Insbesondere ist der Detektor ausgebildet, elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von mindestens 0,3 mm und/oder höchstens 300 mm, vorzugsweise von mindestens 1 mm und/oder höchstens 100 mm, zu erfassen.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist die ggf. vorhandene Auswerteinrichtung oder die externe Auswertvorrichtung ausgebildet, die Restlebensdauer des am stärksten beanspruchten Leistungshalbleiterbausteins zu ermitteln und einen nächsten Wartungstermin festzulegen.
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Besonders bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der Detektor und/oder die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die elektromagnetische Strahlung zur Ermittlung der Temperatur oder einer davon abhängenden Größe gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Leistungsmodul heranzuziehen. Die oben beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Temperatur in einem Leistungsmodul erstrecken sich folglich auch auf das hier beschriebenen Leistungsmodul gemäß der Erfindung.
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Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der zumindest eine Detektor zur ortsaufgelösten Erfassung der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul der zumindest eine Detektor oder es sind mehrere der Detektoren relativ gegenüber weiteren Teilen des Leistungsmoduls beweglich. Auf diese Weise lässt sich durch ein Verfahren oder durch ein Schwenken eines oder mehrerer der Detektoren das Leistungsmodul rastern, insbesondere zwei- oder dreidimensional rastern. Entsprechend lässt sich in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls leicht eine belastungscharakteristische Signatur erhalten.
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Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul zumindest einen mit Vergussmaterial vergossenen Leistungshalbleiter und/oder einen mit mindestens einer Isolierschicht beschichteten Leistungshalbleiter und/oder einen an Kunststoff, insbesondere Silikon, und/oder an ein sonstiges, temperaturabhängig Millimeterwellen emittierendes, Material angeordneten Leistunsghalbleiter auf. Idealerweise ist das Vergussmaterial und/oder die mindestens eine Isolierschicht mit oder aus Silikon gebildet. Insbesondere ein solches Vergussmaterial oder eine solche Isolierschicht oder ein solches Material emittiert vorteilhaft Millimeterwellen bei dessen Erwärmung.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul wie zuvor beschrieben und/oder ein Leistungsmodul und zumindest einen Detektor auf, welcher zur Erfassung einer elektromagnetischen Strahlung des Leistungsmoduls ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Windkraftanlage eine Auswerteeinrichtung auf, welche ausgebildet ist, die erfasste elektromagnetische Strahlung zur Bestimmung einer Temperatur in dem Leistungsmodul oder einer davon abhängenden Größe heranzuziehen. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage ist bevorzugt eine Offshore-Windkraftanlage und lässt sich zugleich kostengünstig und zuverlässig warten. Insbesondere ist der Detektor ausgebildet, elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von mindestens 0,3 mm und/oder höchstens 300 mm, vorzugsweise von mindestens 1 mm und/oder höchstens 100 mm, zu erfassen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wartung einer Windkraftanlage, insbesondere einer Offshore-Windkraftanlage, wird eine erfindungsgemäße Windkraftanlage wie zuvor beschrieben gewartet. Bei dem Verfahren wird bei dem Leistungsmodul der Windkraftanlage eine Temperatur an, insbesondere in, dem Leistungsmodul mittels eines Verfahrens zur Bestimmung einer Temperatur an oder in einem Leistungsmodul wie zuvor beschrieben bestimmt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich bei der Wartung der Windkraftanlage das, insbesondere zeitlich darauf folgende, Wartungsintervall präzise planen. Gerade bei Offshore-Windkraftanlagen, bei welchen eine Wartung eine Inspektion der Windkraftanlage vor Ort erfordert, führt eine präzisere Bestimmung von Wartungsintervallen zu erheblichen Kosteneinsparungen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul mit einem Array von Leistungshalbleitern und einem Array von Millimeterwellenantennen schematisch im Querschnitt sowie
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2 eine erfindungsgemäße Offshore-Windkraftanlage schematisch in einer Seitenansicht.
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Das in 1 dargestellte Leistungsmodul 10 umfasst ein Keramiksubstrat mit einer aufgedruckten Kupferschaltung, welche zusammenwirkend mit dem Keramiksubstrat eine in DCB-Technik (DCB = (engl.) „Direct Copper Bonded“) gefertigte Leiterplatte 20 bildet.
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Die Leiterplatte 20 weist in an sich bekannter Weise zwei einander abgewandte Flachseiten auf. An einer ersten Flachseite ist über einen flächigen, schichtartigen Metallverbund 25 aus AlSiC ein Metallkühler 30 vollflächig angebunden.
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An einer zweiten Seite der Leiterplatte 20 trägt die Leiterplatte 20 Leistungshalbleiterbausteine 40 in der Art von IGBTs (IGBT = (engl.) „Insolated Gate Bipolar Transistor“). Die Leistungshalbleiterbausteine 40 sind voneinander beabstandet auf die Leiterplatte 20 aufgebracht und bilden eine inhomogene räumliche Temperaturverteilung 50 mit Temperaturspitzen 60 jeweils am Ort des jeweiligen Leistungshalbleiterbausteins 40 aus. Die Leiterplatte 20 ist seitens ihrer zweiten Flachseite mittels eines Hartplastikgehäuses 70 eingehaust. Das Hartplastikgehäuse 70 schließt mit dem Metallverbund 25 ab, sodass der Metallverbund 30 eine an der ersten Flachseite der Leiterplatte 20 anliegenden Gehäusewandung bildet.
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Der von Hartplastikgehäuse 70 und Metallverbund 25 gebildete Innenraum mit der Leiterplatte 20 und dem Leistungshalbleiterbaustein 40 ist mit einem Weichverguss 80, im dargestellten Ausführungsbeispiel Silikon-Gel, vergossen. Mithin ist die zweite Flachseite der Leiterplatte 20 mit den Leistungshalbleiterbausteinen 40 im Weichverguss 80 befindlich.
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Nahe der zweiten Flachseite der Leiterplatte 20 und außerhalb des Hartplastikgehäuses 70 ist an diesem ein Antennenfeld 90 des Leistungsmoduls 10 angeordnet, dessen Einzelantennen 100 zum Empfang von Millimeterwellen 110 ausgebildet und dimensioniert sind. Die Einzelantennen 100 sind zueinander in Richtungen der flächigen Erstreckungen der Flachseiten der Leiterplatte 20 versetzt.
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Im Betrieb erwärmen sich die Leistungshalbleiterbausteine 40 entsprechend der Temperaturverteilung 50 unterschiedlich stark. Die Temperaturverteilung 50 erstreckt sich folglich auch auf den angrenzenden Weichverguss 80, welcher die Temperatur der angrenzenden Leistungshalbleiterbausteine 40 rasch annimmt. Die Wärmeleitfähigkeit des Weichvergusses 80 ist begrenzt, sodass sich die Temperaturverteilung 50 der Leistungshalbleiterbausteine 40 und der Leiterplatte 20 sehr genau auf die lokale Temperaturverteilung des Weichvergusses 80 abbildet.
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Der Weichverguss 80 emittiert bei Erhitzung Wärmestrahlung mit einem signifikanten Anteil an dem Spektralbereich der Millimeterwellen 110 von 3 GHz bis 300 GHz. Die Intensität der Millimeterwellen 110 hängt dabei direkt von der Temperatur des Weichvergusses 80 ab und folgt den für schwarze Körper geltenden Strahlungsgesetzen.
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Mittels des Antennenfeldes 90 von Einzelantennen 100 ist die Intensität der Millimeterwellen 110 individuell für die einzelnen Leistungshalbleiterbausteine 40 ermittelbar. Eine nicht explizit dargestellte Auswerteeinrichtung erfasst die Intensität der Leistungshalbleiterbausteine 40 und ermittelt daraus die Temperatur der einzelnen Leistungshalbleiterbausteine 40. Die Auswerteeinrichtung zieht zudem eine Referenztemperaturverteilung unter standardisierten Betriebsbedingungen heran, welche zuvor bei Inbetriebnahme des Leistungsmoduls 10 erfasst worden ist. Die Auswerteeinrichtung vergleicht die gemessene Temperaturverteilung 50 mit der Referenztemperaturverteilung. Je nach Stärke der Abweichung für einzelne Leistungshalbleiterbausteine 40 wird auf eine entsprechende Abnahme der Restlebensdauer des jeweiligen Leistungshalbleiterbausteins 40 geschlossen. Auch eine akute Überlastung des Leistungsmoduls 10 oder eines oder mehrerer der Leistungshalbleiterbausteine 40 lässt sich leicht ermitteln. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die Restlebensdauer des am stärksten beanspruchten Leistungshalbleiterbausteins 40 zu ermitteln und einen nächsten Wartungstermin zu planen.
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In einem weiteren, nicht eigens gezeigten, Ausführungsbeispiel ist anstelle eines Antennenfeldes 90 von Einzelantennen 100 eine schwenkbare Einzelantenne vorgesehen, mittels welcher durch Schwenken ebenfalls eine ortsaufgelöste Erfassung der elektromagnetischen Strahlung möglich ist.
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In weiteren Ausführungsbeispielen, welche den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen im Übrigen entsprechen, ist anstelle des Vergussmaterials 80 eine elektrische Isolierschicht vorhanden, welche die Leistungshalbleiterbausteine 40 beschichtet. Die Isolierschicht ist in diesen Ausführungsbeispielen mit Kunststoff, etwa aus Silikon, gebildet und emittiert verbleichbar dem Vergussmaterial 80 temperaturabhängig Millimeterwellen. Alternativ oder zusätzlich kann in weiteren Ausführungsbeispielen an den Leistungshalbleiterbausteinen Kunststoff, insbesondere Silikon, angelagert sein, welches temperaturabhängig Millimeterwellen emittiert, sodass auch in diesen Ausführungsbeispielen die Erfassung der Temperatur erfindungsgemäß möglich ist.
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Die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Offshore-Windkraftanlage 200 weist ein Leistungsmodul 10 wie in 1 dargestellt auf. Aus den mittels der Auswerteeinrichtung des Leistungsmoduls 10 ermittelten Temperaturen werden die nächsten Wartungstermine ermittelt. Somit lässt sich die Anzahl der Wartungseinsätze und folglich ein Großteil der damit verbundenen Kosten einsparen.
