Simulation Auslegen von IGBTs – thermische Messung oder Simulation?

Autor / Redakteur: Tobias Best * / Kristin Rinortner

Insbesondere in der Leistungselektronik tritt oft eine Diskrepanz zwischen der thermischen Messung und Simulationsergebnissen auf. Der Autor diskutiert die Sinnhaftigkeit der Ergebnisse.

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Was ist richtiger: Simulation oder Messung der thermischen Parameter bei IGBTs?
Was ist richtiger: Simulation oder Messung der thermischen Parameter bei IGBTs?
(Bilder: Alpha-Numerics)

IGBTs (insulated-gate bipolar transistor) sind typische Komponenten der Leistungselektronik. Diese Weiterentwicklung eines vertikalen Leistungs-MOSFET findet aufgrund seiner hohen Vorwärts-Sperrspannung (bis ca. 6600 V) und der hohen Ströme (bis ca. 3000 A) Anwendung in verschiedenen Industriezweigen.

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Die Leistungselektronik ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz. Anordnungen zu dieser Umformung werden Stromrichter genannt. Sie werden je nach ihrer Funktion in Gleich-, Wechsel- und Umrichter unterschieden

Diese Einsatzgebiete sind unter anderem: Frequenzumrichter für elektrische Antriebe, Hochfrequenzgeneratoren, USV-Anlagen, Solarwechselrichter, Umrichter für Windkraftanlagen, Schaltnetzteile etc.

Neben sehr rauen Umgebungsbedingungen ist die maximal zulässige Sperrschichttemperatur die wichtigste Vorgabe in der Produktentwicklung. Aufgrund der hohen Verlustleistungen, welche im IGBT entstehen, sind typische Kühlansätze aus der Schaltelektronik meist nicht ausreichend. Es kommen Hochleistungskühlkörper mit starken Lüftern oder sogar Flüssigkeitskühlplatten zum Einsatz.

Anlehnend an einen typischen Entwicklungsdurchlauf eines Umrichter-Herstellers werden sich in der Konzeptphase schon Gedanken gemacht, welches Kühlkonzept Sinn machen könnte. Die Designmöglichkeiten der Kühlung werden meist schon am Anfang durch folgende Punkte eingeschränkt:

  • Kann eine Fluidkühlung mit Zulauf/Ablauf, Pumpe realisiert werden?
  • Einbauraum – mögliche Größe der Kühleinheit
  • Gewichtsvorgaben – Leistungskühleinheiten sind meist nicht leicht!
  • Preisvorgaben (Produktionsmöglichkeiten schränken die Auswahl ein [Strangpressprofile, Aluguss, Materialwahl]), ein oder zwei Lüfter für die AC/DC-Seite?
  • Geräuschentwicklung durch die Lüftung
  • IP Klassifizierung – Kühlung in oder außerhalb des Gerätes

Nutzen von 3-D-Simulationswerkzeugen in der Vorentwicklung

Um frühzeitig schon die eigene Idee des Kühlkonzeptes auf den Prüfstand zu stellen, werden vermehrt 3-D-Simulationswerkzeuge schon in der Vorentwicklung eingesetzt.

Simulationswerkzeuge wie zum Beispiel 6SigmaET bieten eine vollwertige 3-D-Simulation der Luftströmung in einem virtuellen Messraum und unterscheiden durch lokale Turbulenzbetrachtung zwischen turbulenter und laminarer Strömung. Diese Charakterisierung ist sehr wichtig, da der Energietransport via Konvektion hierdurch maßgeblich bestimmt wird.

Durch diese lokale Betrachtung der Turbulenz, der Strömungsgeschwindigkeiten und – gekoppelt – der Temperaturdifferenzen, wird auch lokal an jeder Stelle einer angrenzenden Fläche eines Körpers zur Luft ein lokaler Wärmeübergangskoeffizient berechnet und für den Wärmetransport angewendet.

Des Weiteren beinhalten solche Simulationswerkzeuge auch die Berechnung des Energieaustausches via Wärmestrahlung. Zum einen im infraroten Spektrum, um erwärmte Oberflächen mit kühleren Körpern Wärme austauschen zu lassen (eine automatische Sichtfaktorenberechnung, d.h. auch die Berechnung von Abschattungen ist Standard), zum anderen aber auch im sichtbaren Bereich, um speziell die Aufwärmung durch die Sonneneinstrahlung (z.B. an Solarumrichtern) einzubeziehen.

Konzentrieren wir uns auf die Konzeptphase und die Möglichkeiten einer frühzeitigen Temperatureinschätzung. Meist liegen zu diesem Zeitpunkt noch keine genauen Angaben zum zukünftig eingesetzten IGBT vor. Man bedient sich hier eines sehr einfachen Ersatzmodells aus drei Einzelteilen (Bild 1) – der Anbindungsfläche an den Kühlkörper, einer virtuellen Verlustleistungsquelle im IGBT und dem Frame inklusive Verguss, welcher die Wärmeleitung in Richtung Kühlsenke forciert.

Einfaches Ersatzmodell für die IGBT-Kühlung

Durch dieses einfache Ersatzmodell kann ein Kühlsystem schon relativ genau ausgelegt werden. Man konzentriert sich hier nicht auf die Sperrschichttemperatur, sondern legt das Kühlkonzept anhand der Kontakttemperatur zwischen IGBT und Kühlkörper aus. Genauigkeiten sind hier immer innerhalb einer Toleranz von ca. 3 bis 7 K zur späteren Messung erreichbar (Bild 2) – und dies zu einem so frühen Stadium. Somit steht einer späteren Handrechnung zur erwarteten Sperrschichttemperatur durch die im Datenblatt angegebenen inneren thermischen Widerstände nichts im Wege.

Ist der IGBT-Baustein ausgewählt, müssen über das Datenblatt hinaus Geometrie und Materialangaben beim Hersteller erfragt werden. Sobald hier eine Geheimhaltungserklärung unterschrieben wurde, sollte dieser Unterstützung nichts im Wege stehen. Aber auch wir wissen, dass nicht jeder Hersteller so kooperationsbereit ist.

In diesem Fall standen uns die Daten zur Verfügung und das Ersatzmodell konnte detailliert aufgebaut werden.

In diesem Beispiel wurde das Detailmodell, wie vorher schon das Ersatzmodell, mit einer Gesamtverlustleistung von 243 W belastet. Des Weiteren wurden nun diese Leistungen der Schaltung entsprechend auf drei der sechs Transistoren (je 70 W) und drei der sechs Dioden (12 W) verteilt.

Die Überhitzungsgefahr liegt im Detail

Nach einem Simulationsdurchlauf erhielten wir die in Tabelle 1 aufgeführten Chiptemperaturen. Die maximal simulierte Chiptemperatur liegt in diesem Beispiel bei 155,2 °C bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C. Da das Datenblatt eine maximal zugelassene Chiptemperatur von 150 °C auswies, zeigte die Simulation, dass dieses System mehr Kühlleistung benötigt.

Unternehmen, welche keine 3-D-Simulation einsetzen, werden zu solch einem frühen Entwicklungsstadium auf diese Gefahr noch nicht hingewiesen.

Das gleiche System als Prototyp aufgebaut und vermessen, ergab laut internem Messfühler im IGBT (NTC genannt) eine maximale Temperatur von 95 °C.

Der Prototyp würde grünes Licht erhalten – es sei denn, dem Entwickler wäre aufgefallen, dass die maximale Kontakttemperatur unter dem IGBT höher gemessen wurde als der interne Messfühler im IGBT wiedergab. Wie kann das sein?

Differenzen zwischen realer maximaler Kontakttemperatur und Messfühler

Betrachten wir den Aufbau des IGBT in Bild 3. Hier ist gut zu sehen, dass der NTC dezentral im Baustein angesiedelt ist und somit durch die inneren Wärmeleitwege die Hotspot-Region zu weit verlässt.

Selbst die internen Wege zum NTC sind hier schlechter gekoppelt als der Weg vom Chip zur Kühlsenke. Dies ist nicht schlecht – schließlich möchten wir die Wärme auch Richtung Kühlsenke ableiten, doch sollte man die Erkenntnis, dass ein ΔT zwischen dem heißesten Chip und dem NTC besteht in seine Überlegungen von Anfang an mit einbinden.

Leider findet man keinen Hinweis in einem IGBT-Datenblatt auf dieses ΔT. So bleibt einem eigentlich nur der Weg über die 3-D-Simulation oder über eine gemessene Kontakttemperatur, welche durch die angegebenen thermischen Widerstände Rückschlüsse auf die maximalen Chiptemperaturen zulassen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass sich der Einsatz eines 3-D-Simulationswerkzeuges immer lohnt. Oft wird der Einsatz von Simulationssoftware in Unternehmen belächelt, welche bisher ausschließlich mit Messungen ihren Weg gehen konnten.

Doch der Preis- und der Zeitdruck sowie die „virtuelle Sicherheit“ sein System besser zu verstehen, halten diese Werkzeuge auf Erfolgskurs. Beim Vergleich zwischen Simulation und Messung kann man lediglich feststellen: Falsche Simulationsergebnisse beruhen meist auf falschen Eingaben, genauso wie Messungen genügend Fallen für Messfehler bereithalten. Aber man sollte zumindest sicherstellen, Äpfel nicht mit Birnen zu vergleichen.

* Tobias Best ist Geschäftsführer der ALPHA-Numerics GmbH in Nastätten.

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