Leistungshalbleiter werden in Windenergieanlagen, Elektroautomobilen und vielen anderen Applikationen eingesetzt, bei denen die elektrische Energie in eine spezielle Form zu wandeln ist, um etwa Netzeinspeisung bei Windenergieanlagen oder eine spezifische Beschleunigung bei Elektroautomobilen zu realisieren. Bei ihrem Einsatz altern sie, dabei spielen Lastwechsel eine besondere Rolle. Es wird untersucht, welche Aspekte eine wichtige Rolle bei der Lastwechselbelastung einnehmen, wie sie zu berechnen und zu berücksichtigen sind. Am Beispiel von Leistungsmessdaten zweier an der mittelnorwegischen Küste betriebenen Windenergieanlagen wird beispielhaft gezeigt, wie die Lastwechselbelastung ermittelt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wurde ein modularer 2000A Lastwechseltester entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen, der mit einer neuen VCE(T) Kalibriermethode, der Aktiven Kalibrierung, ausgerüstet ist. Tester und Kalibriervorgang werden vorgestellt und im Detail diskutiert. Auf dieser Basis werden Perspektiven aufgezeigt, wie Lastwechseltester zukünftig optimiert gestaltet und die Messmethoden zur Alterungsbestimmung in die Applikation überführt werden können. / Power semiconductors are deployed in wind mills, electrical cars and many other applications whenever electrical energy has to be transformed into an intended form e.g. to feed-in wind energy or to accelerate a car. In use they fatigue at which power cycles play an important role. This work investigates the aspects taking the main role at power-cycle load, how they are to calculate and how to be considered. Based on power measurements of two wind mills placed at the middle Norwegian coast, it is shown how to determine the power cycle load. A modular 2000A power cycling test equipment has been developed, built-up and run-in. By means of this equipment a new VCE(T) calibration-method is demonstrated. The equipment as well as the calibration procedure is presented and discussed in detail. On that basis perspectives are depicted how power cycle equipment can be optimized and, moreover, methods for fatigue determination can be transferred from laboratory into application.

Leistungshalbleiter werden in Windenergieanlagen, Elektroautomobilen und vielen anderen Applikationen eingesetzt, bei denen die elektrische Energie in eine spezielle Form zu wandeln ist, um etwa Netzeinspeisung bei Windenergieanlagen oder eine spezifische Beschleunigung bei Elektroautomobilen zu realisieren. Bei ihrem Einsatz altern sie, dabei spielen Lastwechsel eine besondere Rolle. Es wird untersucht, welche Aspekte eine wichtige Rolle bei der Lastwechselbelastung einnehmen, wie sie zu berechnen und zu berücksichtigen sind. Am Beispiel von Leistungsmessdaten zweier an der mittelnorwegischen Küste betriebenen Windenergieanlagen wird beispielhaft gezeigt, wie die Lastwechselbelastung ermittelt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wurde ein modularer 2000A Lastwechseltester entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen, der mit einer neuen VCE(T) Kalibriermethode, der Aktiven Kalibrierung, ausgerüstet ist. Tester und Kalibriervorgang werden vorgestellt und im Detail diskutiert. Auf dieser Basis werden Perspektiven aufgezeigt, wie Lastwechseltester zukünftig optimiert gestaltet und die Messmethoden zur Alterungsbestimmung in die Applikation überführt werden können. / Power semiconductors are deployed in wind mills, electrical cars and many other applications whenever electrical energy has to be transformed into an intended form e.g. to feed-in wind energy or to accelerate a car. In use they fatigue at which power cycles play an important role. This work investigates the aspects taking the main role at power-cycle load, how they are to calculate and how to be considered. Based on power measurements of two wind mills placed at the middle Norwegian coast, it is shown how to determine the power cycle load. A modular 2000A power cycling test equipment has been developed, built-up and run-in. By means of this equipment a new VCE(T) calibration-method is demonstrated. The equipment as well as the calibration procedure is presented and discussed in detail. On that basis perspectives are depicted how power cycle equipment can be optimized and, moreover, methods for fatigue determination can be transferred from laboratory into application.

Power electronics, which fully covers the generation, conversion, transmission and usage of electrical energy, is a key technology for human welfare. With the development of technologies, the requirements on the reliability of power electronic systems are keep increasing. Long term operation under harsh environments is often accompanied by higher switching frequency and higher power density. To allow a reliable and sustainable performance of the power electronic systems, precise lifetime estimation of the power semiconductor devices is of significant importance. This work covers some aspects in the lifetime prediction of power semiconductor devices, especially IGBT and diode, in power module and transfer-molded discrete package. Difference in device temperature determination was illustrated using analytical calculation, simulation and measurement. In addition, temperature calculation in the frequency domain was demonstrated which gives benefits in the application with several hundred devices. Furthermore, different control strategies in the power cycling test were compared. The linear cumulative damage theory was validated by using the power cycling test. For the high power IGBT module used in the MMC HVDC application, power cycling lifetime with 50 Hz heating processes was investigated. For the transfer-molded discrete package, the first lifetime model with comparable scope like the lifetime model of power modules was proposed. / Leistungselektronik, welche direkt relevant für die Erzeugung, Umwandlung, Übertragung und Nutzung elektrischer Energie ist, ist eine Schlüsseltechnologie für das Wohl der Menschen. Mit der Entwicklung von Technologien steigen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme. Der Langzeitbetrieb unter rauen Umgebungsbedingungen geht häufig mit einer höheren Schaltfrequenz und einer höheren Leistungsdichte einher. Um eine zuverlässige und nachhaltige Operation der leistungselektronischen Systeme zu ermöglichen, ist die genaue Lebensdauerabschätzung der Halbleiter-Leistungsbauelemente von großer Bedeutung. Diese Arbeit befasst sich mit einigen Aspekten der Lebensdauerabschätzung von den Halbleiter-Leistungsbauelementen. Unterschied in der Temperaturabstimmung der Halbleiter-Leistungsbauelemente wird anhand von Berechnung, Simulation und Messung veranschaulicht. Darüber hinaus bietet die Temperaturberechnung im Frequenzbereich Vorteile bei der Anwendung mit mehreren hundert Bauelementen. Darüber hinaus wurden verschiedene Regelstrategien im Lastwechseltest verglichen. Die lineare kumulative Alterungstheorie wurde unter Verwendung des Lastwechseltests validiert. Für das in der MMC-HGÜ-Anwendung verwendete Hochleistungs-IGBT-Modul wurden Alterungsprozesse bei 50 Hz Erwärmung untersucht. Für das Diskrete-Gehäuse wird das erste Lebensdauermodell vorgestellt, welches ein vergleichbares Anwendungsbereich wie das Lebensdauermodell von Leistungsmodulen hat.

This work intends to enhance the state of the research in power cycling tests with statements on achievable measurement accuracy, proposed test bench topologies and recommendations on improved test strategies for various types of semiconductor power devices. Chapters 1 and 2 describe the current state of the power cycling tests in the context of design for reliability comprising applicable standards and lifetime models. Measurement methods in power cycling tests for the essential physical parameters are explained in chapter 3. The dynamic and static measurement accuracy of voltage, current and temperature are discussed. The feasibly achievable measurement delay tmd of the maximal junction temperature Tjmax, its consequences on accuracy and methods to extrapolate to the time point of the turn-off event are explained. A method to characterize the thermal path of devices to the heatsink via measurements of the thermal impedance Zth is explained. Test bench topologies starting from standard setups, single to multi leg DC benches are discussed in chapter 4. Three application-closer setups implemented by the author are explained. For tests on thyristors a test concept with truncated sinusoidal current waveforms and online temperature measurement is introduced. An inverter-like topology with actively switching IGBTs is presented. In contrast to standard setups, there the devices under test prove switching capability until reaching the end-of-life criteria. Finally, a high frequency switching topology with low DC-link voltage and switching losses contributing significantly to the overall power losses is presented providing new degrees of freedom for setting test conditions. The particularities of semiconductor power devices in power cycling tests are thematized in chapter 5. The first part describes standard packages and addressed failure mechanisms in power cycling. For all relevant power electronic devices in silicon and silicon carbide, the devices’ characteristics, methods for power cycling and their consequences for test results are explained. The work is concluded and suggestions for future work are given in chapter 6.:Abstract 1 Kurzfassung 3 Acknowledgements 5 Nomenclature 10 Abbreviations 10 Symbols 12 1 Introduction 19 2 Applicable Standards and Lifetime Models 25 3 Measurement parameters in power cycling tests 53 4 Test Bench Topologies 121 5 Semiconductor Power Devices in Power Cycling 158 6 Conclusion and Outlook 229 References 235 List of Publications 253 Theses 257 / Diese Arbeit bereichert den Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet von Lastwechseltests mit Beiträgen zu verbesserter Messgenauigkeit, vorgeschlagenen Teststandstopologien und verbesserten Teststrategien für verschiedene Arten von leistungselektronischen Bauelementen. Kurzgefasst der Methodik von Lastwechseltests. Das erste Themengebiet in Kapitel 1 und Kapitel 2 beschreibt den aktuellen Stand zu Lastwechseltests im Kontext von Design für Zuverlässigkeit, welcher in anzuwendenden Standards und publizierten Lebensdauermodellen dokumentiert ist. Messmethoden für relevante physikalische Parameter in Lastwechseltests sind in Kapitel 3. erläutert. Zunächst werden dynamische und statische Messgenauigkeit für Spannung, Strom und Temperaturen diskutiert. Die tatsächlich erreichbare Messverzögerung tMD der maximalen Sperrschichttemperatur Tjmax und deren Auswirkung auf die Messgenauigkeit der Lastwechselfestigkeit wird dargelegt. Danach werden Methoden zur Rückextrapolation zum Zeitpunkt des Abschaltvorgangs des Laststroms diskutiert. Schließlich wird die Charakterisierung des Wärmepfads vom Bauelement zur Wärmesenke mittels Messung der thermischen Impedanz Zth behandelt. In Kapitel 4 werden Teststandstopologien beginnend mit standardmäßig genutzten ein- und mehrsträngigen DC-Testständen vorgestellt. Drei vom Autor umgesetzte anwendungsnahe Topologien werden erklärt. Für Tests mit Thyristoren wird ein Testkonzept mit angeschnittenem sinusförmigem Strom und in situ Messung der Sperrschichttemperatur eingeführt. Eine umrichterähnliche Topologie mit aktiv schaltenden IGBTs wird vorgestellt. Zuletzt wird eine Topologie mit hoch frequent schaltenden Prüflingen an niedriger Gleichspannung bei der Schaltverluste signifikant zur Erwärmung der Prüflinge beitragen vorgestellt. Dies ermöglicht neue Freiheitsgrade um Testbedingungen zu wählen. Die Besonderheiten von leistungselektronischen Bauelementen werden in Kapitel 5 thematisiert. Der erste Teil beschreibt Gehäusetypen und adressierte Fehlermechanismen in Lastwechseltests. Für alle untersuchten Bauelementtypen in Silizium und Siliziumkarbid werden Charakteristiken, empfohlene Methoden für Lastwechseltests und Einflüsse auf Testergebnisse erklärt. Die Arbeit wird in Kapitel 6 zusammengefasst und Vorschläge zu künftigen Arbeiten werden unterbreitet.:Abstract 1 Kurzfassung 3 Acknowledgements 5 Nomenclature 10 Abbreviations 10 Symbols 12 1 Introduction 19 2 Applicable Standards and Lifetime Models 25 3 Measurement parameters in power cycling tests 53 4 Test Bench Topologies 121 5 Semiconductor Power Devices in Power Cycling 158 6 Conclusion and Outlook 229 References 235 List of Publications 253 Theses 257

Zur Ermittlung der Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Bauelementen sind eine Reihe von Testverfahren etabliert. In Lastwechseltests ist die Temperatur der dominierende Parameter für bekannte Lebensdauermodelle. Aufgrund des Aufbaus und der Eigenschaften von AlGaN/GaN-Bauelementen ist es notwendig, neue Methoden zur Temperaturbestimmung zu etablieren. Die Untersuchungen berücksichtigen dabei verschiedene Bauteilkonzepte. Dazu gehören High Electron Mobility Transistors (HEMT) mit Schottky/p-Gate, für die eine Verwendung des Gateleckstromes als temperatursensitiver elektrischer Parameter (TSEP) untersucht und zur Temperaturbestimmung empfohlen wird. Für Gate Injection Transistors (GIT) wird ein ähnlicher Ansatz verfolgt. Aufgrund der Gatestruktur dieser stromgesteuerten Bauelemente wird vorgeschlagen, den vorhandenen pn-Übergang am Gate des GIT HEMT unter Verwendung der Gate-Source-Spannung als TSEP zu nutzen. In beiden Fällen erreichen die temperatursensitiven Parameter eine Messauflösung, die mindestens der des pn-Übergangs bei Si-Bauelementen entspricht. Im Lastwechseltest bestimmt im Wesentlichen die verwendete Aufbau- und Verbindungstechnik außerhalb des diskreten Packages die mögliche Zyklenzahl. Werden SMD-Bauelemente auf PCB gelötet, dominiert die Lotverbindung zwischen Bauteil und PCB den Ausfall. Durch ein neues Aufbaukonzept mit in Module gesinterten AlGaN/GaN Packages sind Zyklenzahlen möglich, die bis Faktor 10 über dem Erwartungswert für vergleichbare Si-Bauelemente mit Standard AVT liegen.