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.

Die Dissertation widmet sich der rechnerischen Lebensdauerabschätzung laufender Drahtseile, die in verschiedensten Applikationen verwendet werden. Konkret wird die Methode Leipzig, als eine der etablierten Vorgehensweisen für die Ermittlung ertragbarer Biegewechselanzahlen für die Betriebs- und Lebensdauer laufender Drahtseile umfassend beschrieben und weiterentwickelt. Die Arbeit stellt somit den Stand der Technik in Bezug auf diese Methode dar. Neben den detaillierten Darstellungen der Herleitung der Methode, werden auch weiterführende Herangehensweisen für eine umfangreiche Analyse von Seiltrieben beschrieben sowie Hinweise und Einschätzungen zur aktuellen normativen Entwicklung hinsichtlich Auslegung und Nachweis von Drahtseilen gegeben. In Bezug auf unterschiedliche Drahtnennfestigkeiten, Verdichtungsverfahren und Grade der inneren Seilschädigung, wurden Versuchsreihen durchgeführt und ausgewertet, um dessen verbesserte Berücksichtigung innerhalb der Lebensdauerabschätzung mit der Methode Leipzig herzuleiten. Im Ergebnis werden Anpassungen für eine veränderte Interpretation der Gesamtbeanspruchung vorgestellt, die nachweislich die Genauigkeit der Lebensdauerabschätzung erhöhen und damit der steigenden Relevanz dieser Analysen Rechnung trägt. / The dissertation is dedicated to the calculative lifetime estimation of running wire ropes, which are used in a wide variety of applications. Specifically, the Leipzig method is comprehensively described and further developed as one of the established procedures for determining endurable numbers of bending cycles for the service life and lifetime of running wire ropes. The thesis thus represents the state of the art with regard to this method. In addition to the detailed presentation of the derivation of the method, further approaches for a detailed analysis of rope drives are described as well as information and assessments on the current normative development with regard to the design and proof of wire ropes. With regard to different nominal wire strengths, compaction methods and degrees of internal rope deterioration, test series were carried out and evaluated in order to derive their improved consideration within the lifetime estimation with the Leipzig method. As a result, adjustments for a modified interpretation of the overall stress are presented, which have been shown to increase the accuracy of the lifetime estimation and thus take into account the increasing relevance of these analyses.

Ausgangspunkt für die angestellten Untersuchungen bildet das Wissen um die unbefriedigende Treffsicherheit in der Lebensdauerabschätzung bei Belastungen mit ausgeprägten Mittelwertänderungen. Die Grundlage zur Weiterentwicklung theoretischer Lebensdauervorhersagemodelle auf Basis von Nenn- und örtlichen Beanspruchungen wurde mit experimentellen Untersuchungen an Werkstoff- und gekerbten Proben geschaffen, sowohl für einfache als auch gezielt abgeleitete, realitätsnahe komplexe Belastungs-Zeit-Abläufe. Es stehen zwei, ihrem zeitlich abhängigen Materialverhalten nach unterschiedliche Werkstoffe im Mittelpunkt der Betrachtungen. Ziel war es, die grundsätzliche zeitabhängige Reaktion der Werkstoffe auf die Belastung zu erkennen und diese Erkenntnisse mittels integra-len Parametern für die Verbesserung der Treffsicherheit der Lebensdauerabschätzung zu nutzen. Die Abschätzung der experimentell ermittelten Lebensdauern mit dem Nennspannungskonzept, die statistische Auswertung der Schädigungssummen und die Untersuchung der Korrelation von Schädigungssumme und zunächst frei wählbaren Parametern mittels multipler Regressionsanalyse führt zur Festlegung auf drei die Geometrie, den Werkstoff und die Belastung beschreibende Parameter. Bei beiden Werkstoffen wird durch Verwendung einer sogenannten korrigierten mit der Regressionsgleichung bestimmten Schädigungssumme eine Erhöhung der Treffsicherheit der Lebensdauervorhersage nachgewiesen. Den gesammelten Erfahrungen und Erkenntnissen entsprechend werden Empfehlungen zur Anwendung der behandelten Lebensdauerabschätzungsverfahren auf der Grundlage örtlicher Beanspruchungen gegeben. Mit den Versuchen innerhalb der Arbeit wurde eine experimentelle Basis geschaffen, die eine Weiterentwicklung von Ansätzen zur Berücksichtigung des transienten Materialverhaltens in Konzepten auf der Basis örtlicher Beanspruchungen ermöglicht.

Das Örtliche Konzept dient der Berechnung von Lebensdauern zyklisch belasteter Konstruktionen. Dabei wird die Ermüdungsfestigkeit des ungekerbten Werkstoffes zugrundegelegt, um die Bauteillebensdauer abzuschätzen. Mit dieser Annahme verbunden ist ein starke Vereinfachung des Ermüdungsvorganges. Die Ursache ist die unzureichende Berücksichtigung wesentlicher Einflußgrößen, die die Festigkeit des interessierenden Bauteiles bestimmen und die andere Ausprägung als an der Werkstoffprobe erfahren. Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Rechnung reduziert. Die vorliegende Arbeit untersucht und klassifiziert die Ursachen für dieses Übertragbarkeitsproblem. Mit einem sehr flexiblen multiplikativen Ansatz, der technologischen, statistischen und spannungsemchanischen Effekt berücksichtigt, läßt sich der Unterschied zwischen Festigkeit des Bauteils und der Werkstoffprobe rechnerisch erfassen. Zur numerischen Betrachtung technologischer und statistischer Einflüsse kann auf bereits bestehendes Wissen zurückgegriffen werden. Dies wird konzeptbezogen und mit Rücksicht auf die Anwendung angepaßt. Die Berücksichtigung des spannungsmechanischen Einflusses hingegen kann nicht von Bestehendem abgeleitet werden. Dazu wird aus einer umfangreichen Sammlung experimenteller Ergebnisse dieser Einflufaktor abgeleitet. Aus der so gegebenen Stichprobe lassen sich durch eine statistische Auswertung eine Reihe von Kennwerten identifizieren, die die Stützwirkung maßgeblich beeinflussen. Darauf aufbauend wird eine Bestimmungsgleichung für den spannungsmechanischen Einflußfaktor abgeleitet. Somit ist ein Stützwirkungskonzept geschaffen, das es erlaubt, die drei wesentliche Aspekte technologischen, statistischen und spannungsmechanischen Einfluß qualitativ uind quantitativ ins Örtliche Konzept zu integrieren. Mit dieser Vorgehsweise und einer vorliegenden Werkstoffwöhlerlinie läßt sich die bauteilspezifische Festigkeit abschätzen. Die so abgeleitete Wöhlerlinie erlaubt eine wesentlich genauere Lebensdauerberechnung, wie die Kotrolle an umfangreichen, unabhängigen Daten beweist. / The local strain concept serves to estimate the service life of cyclically loaded structures. Here the fatigue strength of the mere material coupon is taken as the basis in the calculation for notched components. This represents a distinct simplification of the complex fatigue process because of disregarding the relevant influences that determine strength and durability. By that the reliability of the calculation is not yet satisfying. The present investigation first classifies the reasons for this problem of transferabillity between notched component and unnotched specimen. A simple but flexible approach is used to describe the technological, statistical and and gradient effect. To consider the technological influences and statistical size effect numerically, known relationships and procedures are taken and adapted to the methodology of the concept. To catch gradient effects a new stress-relief-concept was developed. From a comprehensive database of experimental results gradient effects were were separated. By a statistical analysis relevant variables that govern the stress-relief are identified. Using these, an equation gets derived which enables to compute the gradient effects on fatigue strength. The developed stress-relief-concept allows to estimate a component-related strain(parameter-)-life-curve. Lifetime predictioins based on this are by far more reliable than those based on materials data only. This is verified by a check on an extensive and independent database.

Ausgangspunkt für die angestellten Untersuchungen bildet das Wissen um die unbefriedigende Treffsicherheit in der Lebensdauerabschätzung bei Belastungen mit ausgeprägten Mittelwertänderungen. Die Grundlage zur Weiterentwicklung theoretischer Lebensdauervorhersagemodelle auf Basis von Nenn- und örtlichen Beanspruchungen wurde mit experimentellen Untersuchungen an Werkstoff- und gekerbten Proben geschaffen, sowohl für einfache als auch gezielt abgeleitete, realitätsnahe komplexe Belastungs-Zeit-Abläufe. Es stehen zwei, ihrem zeitlich abhängigen Materialverhalten nach unterschiedliche Werkstoffe im Mittelpunkt der Betrachtungen. Ziel war es, die grundsätzliche zeitabhängige Reaktion der Werkstoffe auf die Belastung zu erkennen und diese Erkenntnisse mittels integra-len Parametern für die Verbesserung der Treffsicherheit der Lebensdauerabschätzung zu nutzen. Die Abschätzung der experimentell ermittelten Lebensdauern mit dem Nennspannungskonzept, die statistische Auswertung der Schädigungssummen und die Untersuchung der Korrelation von Schädigungssumme und zunächst frei wählbaren Parametern mittels multipler Regressionsanalyse führt zur Festlegung auf drei die Geometrie, den Werkstoff und die Belastung beschreibende Parameter. Bei beiden Werkstoffen wird durch Verwendung einer sogenannten korrigierten mit der Regressionsgleichung bestimmten Schädigungssumme eine Erhöhung der Treffsicherheit der Lebensdauervorhersage nachgewiesen. Den gesammelten Erfahrungen und Erkenntnissen entsprechend werden Empfehlungen zur Anwendung der behandelten Lebensdauerabschätzungsverfahren auf der Grundlage örtlicher Beanspruchungen gegeben. Mit den Versuchen innerhalb der Arbeit wurde eine experimentelle Basis geschaffen, die eine Weiterentwicklung von Ansätzen zur Berücksichtigung des transienten Materialverhaltens in Konzepten auf der Basis örtlicher Beanspruchungen ermöglicht.

Das Örtliche Konzept dient der Berechnung von Lebensdauern zyklisch belasteter Konstruktionen. Dabei wird die Ermüdungsfestigkeit des ungekerbten Werkstoffes zugrundegelegt, um die Bauteillebensdauer abzuschätzen. Mit dieser Annahme verbunden ist ein starke Vereinfachung des Ermüdungsvorganges. Die Ursache ist die unzureichende Berücksichtigung wesentlicher Einflußgrößen, die die Festigkeit des interessierenden Bauteiles bestimmen und die andere Ausprägung als an der Werkstoffprobe erfahren. Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Rechnung reduziert. Die vorliegende Arbeit untersucht und klassifiziert die Ursachen für dieses Übertragbarkeitsproblem. Mit einem sehr flexiblen multiplikativen Ansatz, der technologischen, statistischen und spannungsemchanischen Effekt berücksichtigt, läßt sich der Unterschied zwischen Festigkeit des Bauteils und der Werkstoffprobe rechnerisch erfassen. Zur numerischen Betrachtung technologischer und statistischer Einflüsse kann auf bereits bestehendes Wissen zurückgegriffen werden. Dies wird konzeptbezogen und mit Rücksicht auf die Anwendung angepaßt. Die Berücksichtigung des spannungsmechanischen Einflusses hingegen kann nicht von Bestehendem abgeleitet werden. Dazu wird aus einer umfangreichen Sammlung experimenteller Ergebnisse dieser Einflufaktor abgeleitet. Aus der so gegebenen Stichprobe lassen sich durch eine statistische Auswertung eine Reihe von Kennwerten identifizieren, die die Stützwirkung maßgeblich beeinflussen. Darauf aufbauend wird eine Bestimmungsgleichung für den spannungsmechanischen Einflußfaktor abgeleitet. Somit ist ein Stützwirkungskonzept geschaffen, das es erlaubt, die drei wesentliche Aspekte technologischen, statistischen und spannungsmechanischen Einfluß qualitativ uind quantitativ ins Örtliche Konzept zu integrieren. Mit dieser Vorgehsweise und einer vorliegenden Werkstoffwöhlerlinie läßt sich die bauteilspezifische Festigkeit abschätzen. Die so abgeleitete Wöhlerlinie erlaubt eine wesentlich genauere Lebensdauerberechnung, wie die Kotrolle an umfangreichen, unabhängigen Daten beweist. / The local strain concept serves to estimate the service life of cyclically loaded structures. Here the fatigue strength of the mere material coupon is taken as the basis in the calculation for notched components. This represents a distinct simplification of the complex fatigue process because of disregarding the relevant influences that determine strength and durability. By that the reliability of the calculation is not yet satisfying. The present investigation first classifies the reasons for this problem of transferabillity between notched component and unnotched specimen. A simple but flexible approach is used to describe the technological, statistical and and gradient effect. To consider the technological influences and statistical size effect numerically, known relationships and procedures are taken and adapted to the methodology of the concept. To catch gradient effects a new stress-relief-concept was developed. From a comprehensive database of experimental results gradient effects were were separated. By a statistical analysis relevant variables that govern the stress-relief are identified. Using these, an equation gets derived which enables to compute the gradient effects on fatigue strength. The developed stress-relief-concept allows to estimate a component-related strain(parameter-)-life-curve. Lifetime predictioins based on this are by far more reliable than those based on materials data only. This is verified by a check on an extensive and independent database.