DE10203577A1

DE10203577A1 - Verfahren zum Prognostizieren der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen

Info

Publication number: DE10203577A1
Application number: DE10203577A
Authority: DE
Inventors: Stefan Zebunke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Die Lebensdauer eines leistungselektronischen Bauelements (LEB) hängt stark von der Höhe und Anzahl der Temperaturhübe ab, die während der Lebensdauer eines solchen Bauelements auftreten. Anhand der von den Bauelementeherstellern angegebenen Datenkennlinien kann die zu erwartende Lebensdauer eines Gerätes, in das die leistungselektronischen Bauelemente eingebaut sind, bisher nur grob anhand der geschätzten Anzahl der Lastwechsel bestimmt werden. DOLLAR A Nach dem vorliegenden Verfahren werden bei Betrieb eines leistungselektronischen Bauelements dessen Sperrschichttemperatur ermittelt und die Temperaturhübe nach Anzahl und Höhe gespeichert. Daraus wird anhand abgelegter Lebensdauerkurven die aktuelle Restlebensdauer bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prognostizieren der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen, die mit niederfrequenten Lastwechseln beaufschlagt werden.

Die Lebensdauer eines leistungselektronischen Bauelements (LEB) hängt stark von der Höhe und Anzahl der Temperaturhübe ab, die während der Lebensdauer eines solchen Bauelements auftreten. Bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbundenen Materialien in einem leistungselektronischen Bauelement (Bonddraht- Silizium), die zu thermischen Spannungen führen und so eine Materialermüdung bewirken, kommt es zur Alterung. Von den Bauelementeherstellern werden Datenkennlinien angeboten, die die maximal mögliche Anzahl der Lastwechsel eines leistungselektronischen Bauelements in Abhängigkeit vom Temperaturhub angeben. Beispielsweise lässt sich bei IGBT-Leistungsmodulen bei einer Zunahme der Temperaturwechselamplitude um 20 K bis 30 K eine Verringerung der Zahl der möglichen Lastwechsel bis zum Ausfall um eine Zehnerpotenz feststellen.

Temperaturhübe sind durch Lastwechsel an den Bauelementen bedingt. Während bei hohen Ausgangsfrequenzen nur Anlaufvorgänge und die Änderung des Stromeffektivwertes einen Lastwechsel bedeuten, stellen bei niedrigen Ausgangsfrequenzen die Pulse selbst bereits jeweils einen Lastwechsel dar, da Verlustleistungsänderungen durch die thermische Impedanz der Bauelemente nicht mehr ausgeglichen werden. Bei Verwendung von leistungselektronischen Bauelementen in Pulswechselrichtern mit Pulsweitenmodulation sind beispielsweise deren Temperaturhübe umso größer, je kleiner die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters ist. Bei Frequenzen von kleiner als 1 Hz können dabei durchaus Temperaturhübe von über 50 K auftreten. Bei bestimmten Applikationen, z. B. Kran-, Aufzugs-, Hebesysteme, Windkraftumrichter, bei denen betriebsbedingt häufig kleine Ausgangsfrequenzen gefahren werden, ist der beschriebene Alterungsprozess durch die Temperaturwechselbeanspruchung oftmals eine Ursache von Modul- bzw. Systemausfällen.

Anhand der von den Bauelementeherstellern angegebenen Datenkennlinien kann die zu erwartende Lebensdauer eines Gerätes, in das die leistungselektronischen Bauelemente eingebaut sind, bisher nur grob anhand der geschätzten Anzahl der Lastwechsel bestimmt werden. Für hochwertige Anlagen ist eine solche Bestimmung zu ungenau und führt dazu, dass entweder die Geräte prophylaktisch vorzeitig ausgetauscht werden oder im anderen Fall ausfallen. In beiden Fällen entstehen für den Betreiber hohe Kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich die Restlebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen während des Betriebes hinreichend genau bestimmen lässt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8, 9 und 10. Zweckmäßige Ausgestaltungen . sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach werden bei Betrieb eines leistungselektronischen Bauelements dessen Sperrschichttemperatur ermittelt und die Temperaturhübe nach Anzahl und Höhe gespeichert und daraus wird anhand abgelegter Lebensdauerkurven die aktuelle Restlebensdauer bestimmt.

Die direkte Messung der Sperrschichttemperatur ist im Labor zwar gut zu realisieren, stößt im eingebauten Zustand von leistungselektronischen Bauelementen jedoch noch auf Schwierigkeiten. Allerdings sind in jüngster Zeit Bauelemente bekannt geworden, die bereits den direkten Abgriff einer die Temperatur der Sperrschicht repräsentierenden Messgröße am Chip erlauben, deren Einsatzbereich aber noch begrenzt ist. Für die nahe Zukunft ist das Angebot weiterer derartiger Leistungsbauelemente mit einem erweiterten Einsatzbereich denkbar.

Es sind auch bereits Simulationsprogramme erarbeitet worden, die bisher bei Entwicklungsarbeiten von neuen leistungselektronischen Bauelementen offline eingesetzt werden und mit denen sich die Sperrschichttemperatur sowohl im statischen Zustand als auch bei transienten Vorgängen aus den Betriebsgrößen Strom, Spannung, Pulsfrequenz, Pulsaussteuerung, Umgebungstemperatur sowie einem thermischen Modell des Bauelements online in Echtzeit simulieren lässt. Da diese Größen auch bei elektrischen Geräten und Anlagen, z. B. Umrichtern, für die Steuerung und Regelung des Gerätes zumeist ohnehin erfasst werden, lassen sich diese dahingehend verwerten, die Temperaturhübe online zu simulieren. Mit den gemessenen Daten und den vom Hersteller bereitgestellten Bauelementedaten (thermisches Modell, das im Prozessor des jeweiligen Gerätes abgelegt ist) kann somit auch der Temperaturhub bei einem Lastwechsel bestimmt werden. Mit diesen Daten kann dann aus den eingangs angesprochenen Datenkennlinien für die Lebensdauer auf die aktuelle Restlebensdauer eines leistungselektronischen Bauelements geschlossen werden.

Die aktuelle Restlebensdauer kann über ein Display am Gerät bzw. einen PC angezeigt werden. Sie kann auch z. B. über ein Datennetz (Intranet/Internet) für den Betreiber zur Verfügung gestellt werden. Unterschreitet die Restlebensdauer einen vorbestimmten Wert, so kann eine Warnmeldung für den Betreiber ausgegeben werden, so dass Kontroll- oder Wartungsarbeiten eingeleitet oder ein Austausch von Bauelementen veranlasst werden können.

Neben dem Temperaturhub kann auch die maximal erreichte Sperrschichttemperatur von Interesse für die Bestimmung der Restlebensdauer sein. Für IGBT ist die maximale Sperrschichttemperatur z. B. auf 150°C begrenzt. Wird diese Temperatur im Betrieb eines leistungs-elektronischen Bauelements zeitweise erreicht, so kann dies bereits die Restlebensdauer des Bauelements beeinflussen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schema einer ersten Variante des Verfahrens,

Fig. 2 ein Schema einer zweiten Variante des Verfahrens,

Fig. 3 die Simulation des Verlaufs der Sperrschichttemperatur eines leistungs-elektronischen Bauelements im Sekundenbereich und

Fig. 4 die Simulation des Verlaufs der Sperrschichttemperatur eines leistungs-elektronischen Bauelements im Bereich einer einzigen Sekunde.

Fig. 1 zeigt ein Schema für die Verfahrensdurchführung. Die Sperrschichttemperatur (junction temperature) eines leistungselektronischen Bauelements (LEB) wird in Echtzeit messtechnisch erfasst, z. B. mit einem faseroptischen Temperatursensor. Die Temperaturhübe werden nach Anzahl und Höhe in einem Speicher registriert. Außerdem werden die maximal auftretenden Sperrschichttemperaturen und deren Zeitdauer erfasst und gespeichert. Aus abgelegten Lebensdauerkurven kann mit den gewonnenen Daten dann die aktuelle Restlebensdauer ermittelt werden. Die Restlebensdauer wird angezeigt oder über ein Datennetz zur Verfügung gestellt. Bei Unterschreiten eines vorbestimmbaren Wertes wird eine Warnmeldung ausgegeben.
Das Verfahren hat außerdem den Vorteil, dass es beim Ausfall eines Bauelements auch eine Fehlerdiagnose anhand der abgespeicherten Daten erlaubt.
In der Verfahrensvariante nach Fig. 2 ist die messtechnische Erfassung der Sperrschichttemperatur durch eine Simulation ersetzt.
Für die Simulation des Verlaufs der Sperrschichttemperatur an Leistungsmodulen stehen entsprechende Programme bereits zur Verfügung, die bestimmte Voraussetzungen berücksichtigen. Ein Chip selbst hat eine sehr kleine Zeitkonstante. Seine Temperatur ändert sich daher bei Lastsprüngen ohne Zeitverzögerung. Der Kühlkörper hingegen hat eine große Zeitkonstante. Es interessieren deshalb transiente Lastvorgänge mit kleiner und großer Zeitkonstante. Dies sind zum einen Lastperioden, die die bei kleinen Ausgangsfrequenzen große Temperaturhübe verursachen können. Zum anderen interessiert die Temperaturänderung eines Chips bei Lastsprüngen. Bei der Simulation müssen diese beiden Fälle unterschieden werden.
Bei Lastsprüngen handelt es sich in der Regel um Zeiten im Sekunden- oder Minutenbereich. Die Temperaturhübe während einer Lastperiode hingegen schwanken mit der Periode der Ausgangsfrequenz, das heißt im Millisekunden- bis Sekundenbereich.
Im Programm wird dies mit einem Mode berücksichtigt, der folgende Bedeutung hat:

Mode [0]

Die Verlustleistung eines leistungs-elektronischen Bauelements wird über eine Periode des Ausgangsstromes online in Echtzeit berechnet und gemittelt. Man erhält dadurch die mittlere Verlustleistung im Chip. Eine Neuberechnung findet nur nach einem Lastsprung statt oder wenn sich die Chiptemperatur um ein vorbestimmtes Maß ändert. Die Iterationszeit kann hier im Sekundenbereich liegen. In diesem Mode werden große Zeitkonstanten erfasst.

Mode [1]

Die Verlustleistung eines leistungs-elektronischen Bauelements wird über die Pulsdauer ebenfalls online in Echtzeit berechnet und gemittelt. Das Gerät muss hierfür mit einem schnellen Prozessor ausgerüstet sein. Die Temperaturänderung innerhalb einer Lastperiode wird bestimmt.

Mode [2]

Die Verlustleistung eines leistungs-elektronischen Bauelements während der Einschaltdauer wird bestimmt. Die Temperaturänderung während eines Pulses wird bei der Berechnung berücksichtigt. Soll hier genau gerechnet werden, muss eine sehr kleine Schrittweite gewählt werden (mindestens 10 Abtastungen pro Puls).
Fig. 3 und 4 zeigen Beispiele für Mode [0] und [1]. Wie aus den Diagrammen erkennbar ist, kann Mode [0] für den thermischen Einschwingvorgang verwendet werden. Daran anschließend kann mit Mode [1] simuliert werden. Das Beispiel zeigt den Temperaturverlauf bei einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz, wobei sich in diesem Fall ein Temperaturhub von etwa 7 K ergibt. Bei wesentlich kleineren Frequenzen kann dieser Temperaturhub auf bis zu 50 K ansteigen.
Mode [2] (hier nicht gezeigt) ist nur für die Simulation einer oder weniger Lastperioden geeignet.

Claims

1. Verfahren zum Prognostizieren der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen, die mit niederfrequenten Lastwechseln beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb eines leistungselektronischen Bauelements dessen Sperrschichttemperatur ermittelt und die Temperaturhübe nach Anzahl und Höhe gespeichert werden und daraus anhand abgelegter Lebensdauerkurven die aktuelle Restlebensdauer bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal auftretenden Sperrschichttemperaturen ermittelt und gespeichert werden und zur Bestimmung der Restlebensdauer mit verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschichttemperatur direkt gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Sperrschichttemperatur innerhalb eines Lastwechsels anhand der Betriebsgrößen Strom, Spannung, Pulsfrequenz, Pulsaussteuerung und Umgebungstemperatur in Echtzeit online simuliert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Daten der Temperaturhübe und/oder der Maximaltemperaturen angezeigt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Daten der Temperaturhübe und/oder der Maximaltemperaturen über ein Datennetz verfügbar gemacht werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der aktuellen Restlebensdauer unter einen vorbestimmbaren Wert eine Warnmeldung ausgegeben wird.

8. Anordnung mit einem Prozessor, der derart eingerichtet ist, dass zum Prognostizieren der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen, die mit niederfrequenten Lastwechseln beaufschlagt werden, folgende Schritte durchführbar sind: Bei Betrieb eines leistungselektronischen Bauelements ermittelte Hübe der Sperrschichttemperatur und/oder der Maximalwerte der Sperrschichttemperatur werden nach Anzahl und Höhe gespeichert und daraus wird anhand von im Computer abgelegten Lebensdauerkurven die aktuelle Restlebensdauer bestimmt.

9. Computerprogramm-Erzeugnis, das ein computerlesbares Speichermedium umfasst, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, zum Prognostizieren der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen, die mit niederfrequenten Lastwechseln beaufschlagt werden, folgende Schritte durchzuführen: Bei Betrieb eines leistungselektronischen Bauelements ermittelte Hübe der Sperrschichttemperatur und/oder der Maximalwerte der Sperrschichttemperatur werden nach Anzahl und Höhe gespeichert und daraus wird anhand von im Computer abgelegten Lebensdauerkurven die aktuelle Restlebensdauer bestimmt.

10. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen ist, zum Prognostizieren der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen, die mit niederfrequenten Lastwechseln beaufschlagt werden, folgende Schritte durchzuführen: Bei Betrieb eines leistungselektronischen Bauelements ermittelte Hübe der Sperrschichttemperatur und/oder der Maximalwerte der Sperrschichttemperatur werden nach Anzahl und Höhe gespeichert und daraus wird anhand von im Computer abgelegten Lebensdauerkurven die aktuelle Restlebensdauer bestimmt.