Netzmonitoring beim Transport von Elektroenergie

»Design für Zuverlässigkeit« in der Leistungselektronik mit neuen Interconnect-Technologien für zukünftige Smart Mobility und Smart Energy Lösungen

© Fraunhofer ENAS
Verteilung des elektrischen Potentials auf dem Modul im eingeschalteten Zustand.

Die Erhöhung der zulässigen Betriebsspitzentemperaturen ist eine wichtige Voraussetzung für die Erhöhung der Effizienz der Leistungselektronik-Module und damit die Energieeffizienz der elektrischen Antriebe und Energiesysteme. Dabei kann es zu lokalen Spitzentemperaturen über 175 °C kommen, die nicht mehr mit Weichloten zu beherrschen sind. Diese Tendenz wird verstärkt durch den Einsatz neuer hochtemperaturfester Halbleitermaterialien wie SiN und GaN. Es machen sich daher neue Materialien und Verfahren der Verbindungstechnologie erforderlich, wie beispielsweise das Sintern von Silber.

 

Der Einsatz neuer Materialien für elektronische Systeme und ihre Verbindungen bedeutet aber auch, dass Kenntnisse über neue Ausfallrisiken und Design-Regeln erforderlich werden. Zu dieser Thematik wurden im Projekt »PROPOWER« sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen angestellt. Der Fokus lag dabei auf theoretischen Analysen von thermo-mechanischen Zuverlässigkeitsrisiken, die mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt wurden. Es zeigte sich, dass die neuen Werkstoffkombinationen ein verändertes Schädigungsverhalten zeigen, wobei gegenüber den klassischen Lösungen die Betriebsfestigkeit um ein vielfaches erhöht werden kann. Allerdings bergen die steiferen Verbunde bisher nicht vorhandene Risiken des Sprödbruchs. Unter Beachtung der starke Verkopplung des Multi-Materialsystems wurden in der FEM-Modellierung elektro-thermisch-mechanisch gekoppelte Verfahren entwickelt, die es erlauben, ausgehend von einem elektrischen Modell mit gekoppelte Berechnungen der transienten Temperaturverteilungen in jedem Zustand des aktiven Zyklus die mechanischen Beanspruchungen zu bestimmen und in Verbindung mit Testergebnissen auch zu bewerten.

© Fraunhofer ENAS
Temperaturverteilung hervorgerufen durch elektrische Last nach 3-sekündiger Anschaltung.
© Fraunhofer ENAS
Mechanischer Stress als Ergebnis einer temperaturbedingten Deformation beim Anschalten.