DE10203577A1 - Working life prognosis method for power electronic components, involves taking junction temperature and temperature excursion during operation of power electronic component - Google Patents

Working life prognosis method for power electronic components, involves taking junction temperature and temperature excursion during operation of power electronic component

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Abstract

A prognosis method for determining of life of power electronic components which are subjected to low-frequency load cycles. During operation of a power electronic component, its junction temperature is determined and the temperature deviations are stored according to number and amplitude and on the basis of the filed life characteristic, the actual residual life is determined. Independent claims are also included for the following: (1) An arrangement with a processor; (2) A computer program product; (3) A computer readable storage medium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prognostizieren der Lebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen, die mit niederfrequenten Lastwechseln beaufschlagt werden. The invention relates to a method for forecasting the Lifetime of power electronic components with low-frequency load changes are applied.

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. The lifespan of a power electronic component (LEB) strongly depends on the height and number of temperature strokes from that during the life of such a component occur. Due to the different thermal Expansion coefficients of the interconnected Materials in a power electronic component (bond wire Silicon), which lead to thermal stresses and so one Cause material fatigue, there is aging. Of the Component manufacturers are offered data characteristics that the maximum possible number of load changes Power electronic component depending on the temperature rise specify. For example, with IGBT power modules with an increase in the temperature change amplitude by 20 K to 30 K a reduction in the number of possible load changes determine for failure by a power of ten.

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. Temperature changes are due to load changes on the components conditionally. While at high output frequencies only Starting processes and the change in the effective current value a load change mean, set the pulses at low output frequencies itself already represents a load change since Power loss changes due to the thermal impedance of the components can no longer be compensated. When using Power electronic components in pulse inverters with Pulse width modulation are, for example, their temperature swings the greater the smaller the output frequency of the Inverter. At frequencies lower than 1 Hz you can temperature surges of over 50 K can occur. at certain applications, e.g. B. crane, elevator, lifting systems, Wind power converters, which are often small due to operational reasons Output frequencies are driven is the one described Aging process often due to the thermal cycling a cause of module or system failures.

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. Based on those specified by the component manufacturers Data characteristics can be the expected service life of a device, in which the power electronic components are installed have so far only been roughly based on the estimated number of Load changes can be determined. For high quality systems is one such determination is too imprecise and leads to either the devices are replaced prophylactically prematurely or fail in the other case. In both cases arise for the Operator high costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich die Restlebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen während des Betriebes hinreichend genau bestimmen lässt. The invention has for its object a method to indicate with which the remaining life of Power electronic components sufficient during operation can be determined exactly.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8, 9 und 10. Zweckmäßige Ausgestaltungen . sind Gegenstand der Unteransprüche. According to the invention, the object is achieved by the features of claims 1, 8, 9 and 10. Appropriate configurations. are the subject of the subclaims.

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. Thereafter, when operating a power electronic Component whose junction temperature is determined and the Temperature strokes are saved according to the number and height and this becomes the current one based on stored life curves Residual life determined.

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. The direct measurement of the junction temperature is in the laboratory Although easy to implement, when installed, power electronic components, however, still Trouble. However, components have been used recently become known who already have the direct tap of a Temperature of the barrier layer representing measured variable on Allow chip, but the area of application is still limited. For the near future, the offer of such is more Power components with an extended area of application conceivable.

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. Simulation programs have also already been developed, the previously used in the development of new Power electronic components are used offline and with which the junction temperature both in the static State as well as in transient processes from the Operating variables current, voltage, pulse frequency, pulse control, Ambient temperature as well as a thermal model of the Components can be simulated online in real time. Because these sizes also with electrical devices and systems, e.g. B. converters, for the control and regulation of the device mostly anyway are recorded, they can be used to that effect Simulate temperature strokes online. With the measured data and the component data provided by the manufacturer (thermal model that is in the processor of the respective device is stored), the temperature rise at one Load changes can be determined. This data can then be used the data characteristics for the Lifetime to the current remaining lifespan of a Power electronic component can be closed.

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. The current remaining service life can be shown on a display on the device or a PC can be displayed. You can also z. B. about a Data network (intranet / internet) available for the operator be put. If the remaining life is less than one predetermined value, a warning message for the Operators are issued so that control or Maintenance work initiated or an exchange of components can be initiated.

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. In addition to the temperature rise, the maximum reached Junction temperature of interest for determining the Remaining life. For IGBT is the maximum Junction temperature z. B. limited to 150 ° C. This temperature in the operation of a power electronic component reached temporarily, this may already be the remaining life of the Influence component.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen The invention is described below with reference to the Figures of the drawings explained in more detail by way of example. Show it

Fig. 1 ein Schema einer ersten Variante des Verfahrens, Fig. 1 is a schematic of a first variant of the process,

Fig. 2 ein Schema einer zweiten Variante des Verfahrens, Fig. 2 is a schematic of a second variant of the process,

Fig. 3 die Simulation des Verlaufs der Sperrschichttemperatur eines leistungs-elektronischen Bauelements im Sekundenbereich und Fig. 3 shows the simulation of the course of the junction temperature of a power electronic component in the second range, and

Fig. 4 die Simulation des Verlaufs der Sperrschichttemperatur eines leistungs-elektronischen Bauelements im Bereich einer einzigen Sekunde. Fig. 4 shows the simulation of the course of the junction temperature of a power electronic component in the area of a single second.

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. Fig. 1 shows a scheme for performing the method. The junction temperature of a power electronic component (LEB) is measured in real time, e.g. B. with a fiber optic temperature sensor. The temperature strokes are registered in a memory according to the number and height. In addition, the maximum junction layer temperatures and their duration are recorded and saved. The current remaining service life can then be determined from the stored life curves using the data obtained. The remaining service life is displayed or made available via a data network. A warning message is issued if the value falls below a predeterminable value.

Das Verfahren hat außerdem den Vorteil, dass es beim Ausfall eines Bauelements auch eine Fehlerdiagnose anhand der abgespeicherten Daten erlaubt. The procedure also has the advantage of being on failure a component also a fault diagnosis based on the stored data allowed.

In der Verfahrensvariante nach Fig. 2 ist die messtechnische Erfassung der Sperrschichttemperatur durch eine Simulation ersetzt. In the process variant according to FIG. 2 is used to measure the junction temperature is replaced by a simulation.

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. For the simulation of the course of the junction temperature Corresponding programs are already available for performance modules Decisions that take certain requirements into account. On Chip itself has a very small time constant. His Temperature therefore changes without sudden load changes Time Delay. The heat sink, on the other hand, has a large time constant. Therefore, transient load processes with small are of interest and large time constant. On the one hand, these are load periods, which are the large temperature swings at low output frequencies can cause. On the other hand, they are interested Temperature change of a chip during load jumps. In the simulation a distinction must be made between these two cases.

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. Load jumps are usually times in the Second or minute range. The temperature strokes during a load period, however, fluctuate with the period of Output frequency, that is in milliseconds to Seconds.

Im Programm wird dies mit einem Mode berücksichtigt, der folgende Bedeutung hat: This is taken into account in the program with a fashion that has the following meaning:

Mode [0]Fashion [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. The power loss of a power electronic Device is in online over a period of output current Calculated and averaged in real time. You get the average power dissipation in the chip. A recalculation takes place only after a load jump or if the Chip temperature changes by a predetermined amount. The iteration time can be in the seconds range here. Be in this fashion large time constants recorded.

Mode [1]Fashion [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. The power loss of a power electronic The component is also online in real time via the pulse duration calculated and averaged. For this, the device must be equipped with a be equipped with a fast processor. The temperature change is determined within a load period.

Mode [2]Fashion [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). The power loss of a power electronic Component during the duty cycle is determined. The Temperature change during a pulse is used in the calculation considered. If you want to calculate exactly here, one must very small increments can be selected (at least 10 Samples per pulse).

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. FIGS. 3 and 4 show examples of Mode [0] and [1]. As can be seen from the diagrams, Mode [0] can be used for the thermal transient process. This can then be simulated with Mode [1]. The example shows the temperature curve at an output frequency of 50 Hz, in which case a temperature rise of approximately 7 K results. At significantly lower frequencies, this temperature rise can increase up to 50 K.

Mode [2] (hier nicht gezeigt) ist nur für die Simulation einer oder weniger Lastperioden geeignet. Mode [2] (not shown here) is only for simulation suitable for one or fewer load periods.

Claims (10)

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. 1.Procedure for predicting the service life of power electronic components which are subjected to low-frequency load changes, characterized in that when a power electronic component is operated, its junction temperature is determined and the temperature increases are stored in terms of number and height, and the current remaining service life is determined therefrom on the basis of stored life curves. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal auftretenden Sperrschichttemperaturen ermittelt und gespeichert werden und zur Bestimmung der Restlebensdauer mit verwendet werden. 2. The method according to claim 1, characterized characterized that the maximum occurring Junction temperatures are determined and stored and for Determination of the remaining service life to be used with. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschichttemperatur direkt gemessen wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized that the junction temperature is measured directly. 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. 4. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized that the course of the Junction temperature within a load change based on the Operating variables current, voltage, pulse frequency, pulse control and Ambient temperature is simulated online in real time. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Daten der Temperaturhübe und/oder der Maximaltemperaturen angezeigt werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the stored data of the temperature strokes and / or the Maximum temperatures are displayed. 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. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the stored data of the temperature strokes and / or the Maximum temperatures are made available via a data network. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der aktuellen Restlebensdauer unter einen vorbestimmbaren Wert eine Warnmeldung ausgegeben wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at The current remaining service life is less than one a warning message is output. 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. 8. Arrangement with a processor set up in this way is that to predict the lifespan of Power electronic components with low-frequency Load changes are applied, the following steps can be carried out are: When operating a power electronic component determined strokes of the junction temperature and / or the Maximum junction temperature values are based on number and Height is saved and from it is based on the computer stored life curves the current remaining life certainly. 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. 9. Computer program product that is a computer readable Storage medium that enables a computer after it has been loaded into the computer's memory to Predict the lifespan of power electronics Components that are subjected to low-frequency load changes the following steps: When operating a Power electronic component determined strokes Junction temperature and / or the maximum values of The junction temperature is stored according to the number and amount and from this is stored on the computer Lifetime curves determine the current remaining life. 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. 10. Computer-readable storage medium on which a program is saved, which enables a computer after it loaded into the computer's memory for Predicting the lifespan of power electronic components, which are subjected to low-frequency load changes, perform the following steps: When operating a Power electronic component determined strokes Junction temperature and / or the maximum values of The junction temperature is saved according to the number and amount and this is used based on the life curve stored in the computer current remaining life determined.
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