IGBT-Module Sensorlose Messung der Chiptemperatur bei leistungselektronischen Komponenten

Autor / Redakteur: Uwe Scheuermann* / Gerd Kucera

Die Belastung durch thermische Zyklen begründet eine endliche Lebensdauer von leistungselektronischen Systemen. Für die Abschätzung der Lebensdauer ist eine möglichst genaue Kenntnis des Temperaturverlaufs im Chip unter vorgegebenen Betriebsbedingungen erforderlich. Wie dieser Temperaturverlauf ohne speziell präparierte Module ermittelt werden kann, wird im Folgenden diskutiert.

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Entwickler leistungselektronischer Systeme müssen bei der Auslegung nicht nur die Funktion im Auge haben, sie müssen auch für die projektierte Lebensdauer Sorge tragen. Um die Lebensdauer eines Systems abzuschätzen ist jedoch eine genaue Kenntnis der Temperaturzyklen notwendig, die das System unter gegebenen Betriebsbedingungen für die erwartete operative Betriebszeit bestehen muss.

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Die Verwendung eindimensionaler thermischer Netzwerke erlaubt es, das thermische Verhalten eines leistungselektronischen Systems mit hinreichender Genauigkeit nachzubilden. Dann kann durch Einspeisung eines charakteristischen Verlustleistungsprofils ein Temperaturprofil (das so genannte Mission Profile) berechnet werden. Aus diesem lassen sich die thermischen Zyklen extrahieren und mit Hilfe einer Lebensdauerkurve die zu erwartende Lebensdauer abschätzen.

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Ein korrektes thermisches Ersatzschaltbild ist Voraussetzung

Während sich die für jeden Betriebspunkt erzeugte Verlustleistung relativ leicht anhand von Datenblattangaben ermitteln lässt, stellt die Bestimmung des korrekten thermischen Ersatzschaltbildes ein Problem dar. Zwar geben Hersteller von Leistungsmodulen meist auch thermische Ersatzschaltbilder für ihre Module in Form von so genannten Partialbruch-Netzwerken oder Foster-Netzwerken an, jedoch können hier natürlich die anwenderspezifischen Kühlbedingungen nicht berücksichtigt werden.

Ein Foster-Netzwerk ist eine Reihenschaltung von parallelen Paaren aus Widerstand und Kondensator, dass sich als Übertragungsfunktion aus der Systemtheorie ergibt für den Fall stückweise konstanter Leistungspulse. Da ein solches eindimensionales Netzwerk einfach analytisch berechenbar ist, lässt sich der Temperaturverlauf für jede beliebige Form des Leistungsverlaufs ermitteln. Es gilt aber zu beachten, dass solche Übertragungsfunktionen nicht in Reihe geschaltet werden dürfen.

Um eine adäquate thermische Auslegung sicherzustellen, muss also das Übertragungsverhalten des Gesamtsystems bestehend aus Modul, thermisches Koppelmedium, Kühler und Lüfter durch ein korrektes thermisches Ersatzschaltbild nachgebildet werden. Dazu ist die zeitaufgelöste Messung der Chiptemperatur im realen Systemaufbau notwendig.

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