Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2006 / Text engl.

Essen, Universiẗat, Diss., 2005--Duisburg.

Zur Einsparung von Masse und Volumen fokussiert die Entwicklung automobiler Antriebsstränge eine hohe Integrationsdichte der Komponenten. Bei elektrischen Achsantrieben wird der Trend durch relativ hohe Kosten von Kabeln und Steckern befeuert. Die E-Maschine ist aufgrund ihrer Baugröße in vielen System nur einfach vorhanden, allerdings mit zweigeteilter Wicklung, die im Regelfall jeweils drei Stränge umfasst. Dabei konnten sich Topologien mit Zahnspulenwicklung etablieren, da man sich aufgrund der fehlenden Wickelkopfkreuzungen eine örtliche Isolierung von Wicklungsfehlern verspricht. Eine Fortsetzung des Redundanzprinzips besteht darin, die Anzahl der parallelen Pfade zu erhöhen. Mit jeder Verdopplung der Parallelpfade halbiert sich der Leistungsfluss pro Pfad. Die Folge sind kleinere Leistungshalbleiter und Kühlkörper innerhalb der Stromrichter.

Der diesjährige 12. Workshop Magnetlagertechnik Zittau-Chemnitz setzt eine Veranstaltungsreihe fort, die vor nunmehr 25 Jahren mit dem 1. Workshop 1994 in Zittau ihren Anfang nahm. Während anfänglich Magnetlager Sonder- oder Nischenlösungen darstellten, haben Magnetlager in dieser Zeit in zahlreichen Applikationen Produktstatus erreicht. Das ist neben der Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer Komponenten bspw. in der Regel- oder Leistungselektronik auch auf die Anwendung moderner, computergestützter Methoden bei der Auslegung und Konstruktion von Magnetlagern zurückzuführen. Die konsequente Weiterentwicklung der Magnetlagertechnologie und deren vorteilhafte Anwendung in der Industrie und Energietechnik führen zu einer Erhöhung der Energieeffizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Anlagen und zur Reduzierung umweltschädlicher Immissionen. Neue Anwendungsfelder ergeben sich auch aus aktuellen Entwicklungen bei der Energieversorgung oder der Digitalisierung und Vernetzung der industriellen Produktion – Industrie 4.0. In diesem Sinn versteht sich der Workshop als Podium für Wissenschaftler, Entwickler, Hersteller und Anwender zum weiteren Avancement dieser Technologie. Der vorliegende Tagungsband beinhaltet die von den Autoren eingereichten Beiträge in der Reihenfolge des Tagungsprogramms. Die Veranstalter danken besonders den Autoren, Referenten und Teilnehmern sowie allen, die durch ihr Engagement zum Gelingen des Workshops beigetragen haben und freuen sich auf eine Fortsetzung der Veranstaltungsreihe 2021 an der Technischen Universität Chemnitz.

Zielstellung dieser Arbeit ist es, Methodik und Verfahren zur Modellierung von Leistungshalbleitern zu erarbeiten, um die Verfügbarkeit und Handhabbarkeit dieser Modelle für die Schaltungsanalyse zu erhöhen. Ausgangspunkt ist eine Analyse der Anforderung und ein Vergleich mit den gegebenen ökonomischen und fachlichen Möglichkeiten. Im Ergebnis wird ein hierarchischer Aufbau von Verhaltensmodellen befürwortet. Die zur Modellrealisierung benötigten Techniken werden vorgestellt. Das erarbeitete Verfahren zur verhaltensbeschreibenden Modellierung erfordert eine am Modellumfang orientierte Wahl der Beschreibungssprache und zeichnet sich durch Verwendung von Datenblattangaben zur Parametrisierung und geringem Simulationszeitbedarf der Modelle aus. Für diskrete Einzelhalbleiter werden physikalisch interpretierbare Ersatzschaltungen auf Grund ihrer hoher Anschaulichkeit und der erreichbaren Portabilität der Modelle bevorzugt, komplexere Modelle mit Steuer- und Schutzeinrichtungen sind mit Zustandsbeschreibungen zu kombinieren. Der allgemeingültige Ansatz ist auf beliebige Leistungshalbleiter anwendbar und wird ausführlich anhand des IGBT, von Smart-Power-Elementen und anderer Bauelemente dargelegt.

Control of a low voltage ac/dc/ac converter for high-speed induction machine drive applications has been investigated. Such a configuration can be applied, for example, in microturbines and high-speed spindles. Scalar control is usually applied for the control of high-speed drives especially in the case of very high-speed drives. Indirect rotor-flux-oriented control and direct torque control are designed and compared for the control of an exemplary high-speed induction machine drive. The 2L VSC is the most widely applied converter for high-speed drives. However, the 3L-NPC VSC is an attractive topology if drastically increased switching frequencies are required. A detailed comparison between a 2L VSC and a 3L-NPC VSC as the machine side converter of the exemplary high-speed induction machine drive is carried out. Voltage-oriented control is applied for the control of the grid side PWM active front end converter. In several industrial applications PWM active front end converters commonly operate in parallel to thyristor converter fed dc drives. Behavior of the voltage-oriented controlled active front end converter with L-filter in the presence of a parallel thyristor converter is investigated. The design of the LCL-filter components according to the given maximum grid current harmonics (e.g. IEEE-519) is a complex task. So far a precise and clear design procedure has not been presented. A new procedure to design the grid side filter (L- and LCL-filter) is proposed using the analytical expression of the converter voltage harmonics based on Bessel functions to achieve the compliance with the grid standard of IEEE-519. Voltage-oriented control with active damping is used to control the active front end converter with LCL-filter. A simple method is proposed to design the required lead-lag compensator in the active damping loop.

This paper deals with a method to additionally heat with switching losses in a classical power cycling test, as it is often used for power semiconductors.The fundamentals of testing, switching behavior, thermal and electrical characteristics of semiconductors are covered.The core of the work is the construction, start-up and solution of technical problems during the testing of the test stand. Another aspects are the measurement and software challenges in generating the pulse pattern and in evaluating the results. The last part of the work deals with the testing of different types of semiconductors, such as IGBTs and MOSFETs, which were also made of different materials, such as silicon and silicon carbide, and had different voltage classes.:Contents i Symbols and Abbreviations iii Introduction 1 1. Power Cycling Lifetime 2 1.1. Power Cycling-induced Ageing Mechanisms and Test Methods 2 1.1.1. Overview of Packaging Technologies and their Wear-out Failures 2 1.1.2. Failure Mechanisms in Power Modules and Discrete Devices 6 1.1.3. Basic Structure of a Test Bench for DC Power Cycling Tests 8 1.1.4. Modifications for SiC MOSFET Operation 12 1.1.5. Measurement Accuracy, Limits and Consequences for Test Evaluation 16 1.1.6. Thermal Resistance and Thermal Impedance Spectroscopy 18 1.2. Empirical Power Cycling Lifetime Models 21 2. Specific Limitations in Conditions for some Devices 27 3. Approaches of an Application-close Power Cycling Test 30 4. New Test Bench Concept with an adjustable part of switching losses 35 4.1. Basics for Switching 35 4.1.1. Active Clamping 38 4.1.2. Boosted Active Clamping 40 4.2. Repetitive Unclamped Inductive Switching 42 4.3. Test Bench Concept for Power Cycling Test with Turn-off Losses 44 4.4. Dimensioning of the Stray Inductance 47 4.4.1. Current Ripple and Attainable Switching Losses 51 4.5. Special Setup for Si and SiC MOSFETs 57 4.6. Measurement Algorithm and necessary Hardware 58 4.6.1. Measurement Hardware 58 4.6.2. Measurement Algorithm 60 4.6.3. Challenges during the Measurement 62 4.6.4. Current Source for Fast Regulation 66 5. Test Results with IGBTs 69 5.1. Modules with Baseplate 69 5.2. Modules without Baseplate 80 5.3. IGBTs in Discrete Housings 90 6. Test Results with MOSFETs 97 6.1. Low Voltage Si MOSFETs 97 6.2. SiC MOSFETs 106 7. Analysis of Si Low-voltage MOSFETs Results with FEM 107 8. Conclusion and Outlook 113 9. Acknowledgement 118 References 119 Appendix 136

This work deals with the power cycling reliably of power modules and discrete devices. A small part was tested with standard test equipment, but the majority of devices were tested with an advanced test approach with additional switching losses. A large variety of packages under different conditions were tested: Discrete low-voltage silicon MOSFETs (<100 V), discrete SiC MOSFETs, baseplate-free SiC modules, medium power silicon modules and high power silicon modules. The core of the work is the investigation of low temperature swings in the transition between elastic and plastic deformation. During high operation temperatures, no significant increase in lifetime was observed, but at reduced junction temperatures, the impact was significant. All experimental results were transferred into a 3D simulation environment, for further investigation of the temperature and current distribution as well as the mechanical fatigue parameters, to allow a better understanding of the physical processes.

Wechselrichter im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen verbinden Batterie und Motor miteinander. Bei konventionellen Wechselrichtern ist die Ständerspannung des Fahrmotors durch die Batteriespannung begrenzt. Dies ist vor allem bei hohen Drehzahlen nachteilig, da hier ein zusätzlicher feldschwächender Strom notwendig ist. Dieser Strom wiederum verursacht zusätzliche Verluste in der Maschine und der Leistungselektronik. Einen alternativen Ansatz bieten hochsetzende Wechselrichter. Die Begrenzung der Ständerspannung durch die Batterie entfällt. In der vorliegenden Diplomarbeit werden zwei hochsetzende Wechselrichter miteinander verglichen. Zunächst wird die Funktionsweise des Wechselrichters mit Hochsetzsteller und des ZSource-Wechselrichters erläutert. Danach werden Bauelemente für beide hochsetzende Wechselrichter ausgewählt. Anschließend werden die Verluste und das thermische Verhalten der ausgewählten Konfigurationen analysiert und mit Matlab simuliert. Abschließend werden der Wechselrichter mit Hochsetzsteller und der Z-Source-Wechselrichter bezüglich der Kriterien Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Fertigungsaufwand miteinander verglichen. / Inverter in the drive train of electric vehicles connect the battery to the machine. Using conventional inverters, the stator voltage is limited by the battery voltage. This is mainly a disadvantage at a high speed, since an additional field weakening current is needed. This current produces extra losses in the electrical machine and the power electronics. DC/DC boosted inverters offer an alternative solution. A limitation of stator voltage through the battery does not occur. This diploma thesis is comparing two kinds of DC/DC boosted inverters. First the functionality of an inverter with boost converter and that of a Z-Sourceinverter are presented. Afterwards the electrical components for both inverters are chosen and are simulated using Matlab. Finally the results of the simulation are compared with respect to power effciency, reliability of the electrical components and the effort of production.

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