The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential
to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development
of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models.
The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about
the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also
derived.
In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations. / Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht.
Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den
Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein-
flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung
kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen
wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet.
Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:20135 |
| Date | 03 September 2014 |
| Creators | Poller, Tilo |
| Contributors | Lutz, Josef, Undeland, Tore, Technische Universität Chemnitz |
| Publisher | Universitätsverlag der Technischen Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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