Leistungshalbleiter auf dem Prüfstand

Entwicklung eines zustandsorientierten Monitoring-Systems für DC-Switch Module im Hinblick auf die Lebensdauer.

Ziele

Ziel ist es, ein zustandsorientiertes Monitoring-System für die in DC-Breaker verbauten Halbleiter-Module zu entwickeln. Dieses soll auf verschiedenen am Modul und am Kühler gemessenen zeitlichen Temperatur-, Strom und / oder Spannungsverläufen basieren. Eine intelligente Analyse und Auswertung der Messdaten soll es ermöglichen, die verbleibende Lebensdauer von einzelnen Halbleiter-Modulen abzuschätzen. Mit dem Monitoring System soll das Versagen des «Thermal Interface Material» gemessen und beschrieben werden.

Ausgangslage

Ein zustandsorientiertes Monitoring-System soll dazu führen, dass Wartungs- und Ersatzarbeiten bei einem verbauten DC-Breaker auf einem Hochseeschiff dann durchgeführt werden, wenn das Schiff im Hafen steht. Andernfalls würden horrende Kosten entstehen, wenn die Module auf See ausfallen und dort gewartet werden müssten.

Ergebnisse

Um die Entwicklung eines solchen Monitoring-Systems voranzutreiben, wurde an der FHNW in Zusammenarbeit mit Astrol ein variabler Lastwechselprüfstand entwickelt, mit welchem der Alterungsprozess der verschiedensten Leistungshalbleiter-Module in einem beschleunigten Verfahren, an mehreren Modulen gleichzeitig ermittelt werden kann.
Verschiedenste Messgrössen (elektrische Spannungen, Ströme und Temperaturen) von Dioden-Modulen wurden während der zyklischen Belastung aufgenommen. Es wurde analysiert, welche der gemessenen Grössen sich als Indikator für eine fortgeschrittene Alterung der Dioden-Module eignet. Die sprungartigen Anstiege der Messgrössen in Funktion der Anzahl gefahrenen Lastzyklen konnten mit der Alterung der Halbleitermodule korreliert werden.
Diese Erkenntnis wird nun in der nächsten DC-Breaker Generation genutzt, um mögliche Ausfall-Risiken frühzeitig zu erkennen und den Service der Installationen besser planen zu können.

Projekt-Information

Auftraggeber	Astrol Electronic AG
Ausführung	Institut für Elektrische Energietechnik FHNW, Institut für Thermo- und Fluid-Engineering FHNW
Dauer	16 Monate
Förderung	Forschungsfonds Aargau
Projektteam	Astrol: Andreas Stöckli, Michael Bader FHNW: Prof. Dr. Norbert Hofmann, Prof. Dr. Nicola Schulz, Roland Fischer, Jonathan Richner, Nino Degiampietro, Kevin Hauenstein, Dominic Müller, Christian Breuer