Zuverlässigkeit von Leistungselektronik/Modulen in Elektrofahrzeugen

Aktive und passive Temperaturwechseltests für Automobilanwendungen

Beispielhafter Verlauf eines überlagerten Lastwechseltests (links) sowie Einführung von fall-sensitiven Lebensdauermodellen (rechts), welche in Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur Tg (Vergussmasse) angewandt werden – Model A: Tvj,max < Tg, Model B: Tvj,max ≥ Tg

Die Lebensdauermodellierung von (leistungs-)elektronischen Bauelementen stellt einen wichtigen Aspekt der Zuverlässigkeitsforschung dar. Typischerweise basiert sie im Bereich der Leistungselektronik auf standardisierten Power Cycling (PC) Tests. Deren Grundprinzip besteht darin, über zyklisch eingebrachte Leistungsverluste die typischen, thermo-mechanisch bedingten, Ausfallmechanismen im Prüfling zu induzieren. Im Rahmen umfangreicher Untersuchungen wurden verschiedene Lastprofile appliziert, um die Lebensdauerabhängigkeit diskreter Leistungsbauelemente von unterschiedlichen Lastfaktoren, wie Sperrschichttemperaturhub, absolutes Temperaturniveau oder Einschaltzeit, zu betrachten. Die Anpassung der experimentellen Testergebnisse erfolgte hierbei auf Basis der bekannten LESIT-Gleichung. Obwohl das abgeleitete Lebensdauermodell eine sehr gute Übereinstimmung mit den Testdaten zeigte, konnte es die Testergebnisse von zusätzlich durchgeführten PC-Tests, welche mit passiven Temperaturzyklen überlagert wurden und somit einen nochmals realistischeren Lastfall darstellen, nicht vorhersagen. Die weitere Analyse ergab, dass die Ursache hierfür in der Vergussmasse der Bauelemente, konkret in deren Glasübergangstemperatur Tg, zu finden ist. D.h., für die Modellierung mussten bezüglich den Testdaten zwei Gruppen separat betrachtet werden: eine davon umfasste nur Testfälle, in denen die applizierten Testtemperaturen unterhalb von Tg lagen, die andere Gruppe Testfälle, in denen die Temperaturen Tg überschritten. Mit dieser Gruppierung war es schließlich möglich, die Lebensdauerwerte der überlagerten Testergebnisse vorherzusagen.