Wahl der richtigen Regelstrategie Geschönte Lebensdauer bei Lastwechseltests?

Auswirkungen auf die Lebensdauer

Bild 7 zeigt für alle vier Regelstrategien die Entwicklung der maximalen Sperrschicht-Temperatur als Funktion der Lastwechselzyklen bis zum Ausfall.

Im Falle der konstanten Schaltzeiten wurde das Lebensende nach 32.073 Zyklen erreicht, als die Sperrschicht- Temperatur 360 °C erreichte und die Emitter-Metallisierung schmolz.

Wurde auf die Grundplattentemperatur geregelt, trat der Totalausfall nach 47.485 Zyklen ein. Zu diesem Zeitpunkt erreichte die Sperrschicht-Temperatur über 340 °C. Auch hier war eine lokale Aufschmelzung zu beobachten.

Bei konstanter Verlustleistung ergab sich eine Lebensdauer von 69.423 Lastwechseln. In diesem Fall lag die maximale Sperrschicht-Temperatur immer unter 178 °C. Ausfallursache war schließlich das Abheben aller Bonddrähte, wohingegen die Emitter-Metallisierung intakt blieb.

Letztlich wurde mit einer Regelung auf die Sperrschicht-Temperatur die längste Lebensdauer erreicht: 97.171 Lastwechsel. Die Regelung begrenzte zuverlässig die maximale Sperrschicht- Temperatur auf Werte unterhalb 160 °C. Zum Ende hin versagte das Regelverfahren, als die Einschaltzeiten in die Nähe der Abtastzeiten gelangten. Kurz vor Ausfall des Moduls betrug die minimale Einschaltzeit ton = 0,42 s. Die Emitter-Metallisierung blieb auch hier intakt, jedoch waren alle Bonddrähte abgehoben.

Regelung der Grundplattentemperatur meist die beste Strategie

Die Lebenserwartung von Modulen hängt stark von der zugrunde liegenden Regelstrategie und deren Wahl wiederum sinnvollerweise vom späteren praktischen Einsatz ab. Um die Zuverlässigkeit in realistischen Anwendungen zu bewerten, kommen nur die beiden erst genannten Ansätze in Betracht. Von diesen beiden ist die Regelung der Grundplattentemperatur (ΔTC = const.) zu bevorzugen. Diese Methode regelt Schwankungen der Kühlungsumgebung ebenso aus, wie mögliche Degradationseffekte der thermischen Schnittstelle (Wärmeleitpaste) zwischen Grundplatte und Kühlkörper.

Die beiden zuletzt behandelten Strategien sind für eine Bewertung der Lebensdauer ungeeignet, da sie die elektrische Belastung mit zunehmender Alterung reduzieren und damit den Stress konstant halten bzw. nur moderat ansteigen lassen. Diese Verfahrensweise ist völlig untypisch für einen Einsatz im Feld.

Applikationsingenieure sollten mithin darauf achten, welche Regelstrategie bei Lebensdauerangaben zugrunde liegt. Bedauerlicherweise kann diese wichtige Information normalerweise nicht den Datenblättern entnommen werden. Eine Nachfrage beim Hersteller ist daher dringend angeraten.

 

Die Autoren:

Stefan Schuler ist Entwicklungsingenieur bei Semikron. stefan.schuler@semikron.com

Dr. Uwe Scheuermann ist Abteilungsleiter Produktzuverlässigkeit bei Semikron. uwe.scheuermann@semikron.com

 

Literatur:

[1] Held, M.; Jacob, P.; Nicoletti, G.; Scacco, P.; Poech, M.H.: Fast Power Cycling Test for IGBT Modules in Traction Application. Proc. Power Electronics and Drive Systems 1997, S. 425 – 430.

[2] Bayerer, R.; Herrmann, T.; Licht,T.; Lutz, J.; Feller, M.: Model for Power Cycling Lifetime of IGBT Modules – various factors influencing lifetime. Proc. CIPS 2008, S. 37 – 42.

[3] Schuler, S.; Scheuermann, U.: Impact of Test Control Strategy on Power Cycling Lifetime. Proc. PCIM 2010.