Prüfstände für Leistungselektronik
Ein Umrichter fällt selten an einem stationären Punkt aus, sondern nach vielen Lastwechseln. Profectronics baut Prüfstände, die den Wärmepfad vom flüssigkeitsgekühlten Modul bis ins Kühlmittel messen, je Lastpunkt und über die Lebensdauer.
Wärmepfad und Lebensdauer
Der Prüfstand misst den Weg der Wärme vom Modul ins Kühlmittel und die Veränderung dieses Wegs über die Zeit.
- Wärmewiderstand Rth Von der Sperrschicht bis ins Kühlmittel, je Lastpunkt.
- Power Cycling Lastwechsel bis zum Ausfallkriterium, zur Bewertung der Lebensdauer.
- Anpressung Einfluss der Anpressung des Moduls auf den Kühlkörper, gemessen.
- Last Rückspeisende DC-Last und AC-Last, Bestromung statt Heizwiderstand.
- Reinwasserkreis Kühlkreis mit vollentsalztem Wasser (VE-Wasser), Leitfähigkeit überwacht.
- Erfassung Galvanisch getrennt, bis in den kHz-Bereich.
Elektrische und thermische Kennwerte
Der Prüfstand bestromt den Prüfling und misst dabei den Wärmepfad.
| Größe | Wert (Auslegung) | Bemerkung |
|---|---|---|
| Last | DC und AC, rückspeisend | Statt Heizwiderstand |
| Prüfstrom | bis 1 000 A | Je nach Modul |
| Spannung | bis 1 500 V DC | Je nach Anwendung |
| Messgröße | Rth je Lastpunkt | Sperrschicht bis Kühlmittel |
| Erfassung | bis 50 kHz | Galvanisch getrennt |
| Kühlmittel | VE-Wasser, Wasser-Glykol | Leitfähigkeit < 2 µS/cm, überwacht |
| Vorlauftemperatur | +15 bis +65 °C | Einschließlich Warmwasserkühlung |
| Volumenstrom | 1 bis 60 L/min | Je Prüfling |
Die Werte sind Grenzen des Baukastens und keine Zusage für ein bestimmtes Projekt. Das Pflichtenheft legt die Werte für Ihre Anlage fest.
Lastwechsel bis zum Ausfallkriterium
Der Power-Cycler bestromt das Modul zyklisch, bis ein Ausfallkriterium greift. Er misst die Sperrschichttemperatur ohne Fühler über die Kollektor-Emitter-Spannung VCE bei kleinem Messstrom. VCE dient dabei als temperaturabhängiger elektrischer Parameter (Temperature Sensitive Electrical Parameter, TSEP). Der Ablauf orientiert sich an der Richtlinie AQG 324 des European Center for Power Electronics (ECPE).
- Power Cycling mit Sekundenzyklen (PCsec) Kurze Bestromung mit steilen Temperaturhüben. Die Prüfung belastet Bonddrähte und Chip-Lot und prüft die chipnahe Aufbau- und Verbindungstechnik.
- Power Cycling mit Minutenzyklen (PCmin) Langsame Durchwärmung des ganzen Moduls. Die Prüfung belastet die Lotschicht zur Bodenplatte und prüft den großflächigen Wärmepfad.
- Abkühlkurve Thermische Impedanz aus der Sprungantwort, schichtweise aufgelöst vom Chip bis ins Kühlmittel. Die Veränderung über die Zyklen zeigt die alternde Schicht.
- Schaltverhalten im Doppelpuls (DP) Schaltenergien und Überspannungen je Arbeitspunkt am selben Prüfling und am selben Kühlkreis.
Prüfungen und Normgrundlagen
Normen und Richtlinien regeln die Qualifizierung von Leistungsmodulen. Profectronics legt die Prüfstände so aus, dass diese Verfahren darauf laufen und das Protokoll den Nachweis enthält.
| Prüfung | Grundlage | Belastung und Messgröße |
|---|---|---|
| Power Cycling, Sekundenzyklen (PCsec) | ECPE AQG 324 QL-01, IEC 60749-34 | Kurze Bestromung mit steilem Temperaturhub. Belastet Bonddrähte und Chip-Lot. Ausfallkriterium typisch +5 % VCE oder +20 % Rth. |
| Power Cycling, Minutenzyklen (PCmin) | ECPE AQG 324 QL-02, IEC 60749-34 | Langsame Durchwärmung des ganzen Moduls. Belastet die Lotschicht zur Bodenplatte. Gleiche Kriterien, andere Schadensmechanik. |
| Wärmewiderstand Sperrschicht bis Gehäuse Rth(j-c) | JEDEC JESD51-14 | Transient-Dual-Interface: 2 Abkühlkurven, mit und ohne Wärmeleitmittel. Der Trennpunkt der Strukturfunktion liefert den Übergang Sperrschicht → Gehäuse. |
| Thermische Impedanz Zth | JEDEC JESD51-1 (elektrisches Messverfahren der Sperrschichttemperatur), IEC 60747-9 | Sprungantwort über der Zeit. Die Strukturfunktion löst sie schichtweise auf. Die Veränderung über die Zyklen zeigt die alternde Schicht. |
| Schaltverhalten, Doppelpuls | IEC 60747-9 | Einschaltenergie Eon, Ausschaltenergie Eoff und Schaltzeiten je Arbeitspunkt. Integrationsgrenzen nach den Schwellen der Norm (10 %, 90 %, 2 %). |
| Temperaturwechsel (Thermal Shock Test, TST) | IEC 60068-2-14, AQG 324 | Passive Wechsel ohne Bestromung. Trennt die thermomechanische Ermüdung von der Wirkung des Eigenverlusts. |
| Dauerbelastung Sperrschicht (High Temperature Reverse Bias, HTRB, und High Temperature Gate Bias, HTGB) | IEC 60749-23, AQG 324 | Sperrspannung oder Gatespannung bei Höchsttemperatur über lange Zeit. Kriterium ist der Verlauf des Leckstroms. |
| Feuchte unter Spannung (High Humidity High Temperature Reverse Bias, H3TRB) | IEC 60749-5, AQG 324 | 85 °C und 85 % relative Feuchte unter Sperrspannung. Prüft Passivierung und Verguss. |
| Sicherheit des Aufbaus | IEC 62477-1 | Luftstrecken und Kriechstrecken, Schutztrennung, Berührungsschutz. Die Norm gilt für den Prüfaufbau und für den Prüfling. |
Prüfstand ohne Zertifizierung
Profectronics baut die Prüfstände und zertifiziert nicht. Die Anlagen sind für die genannten Abläufe ausgelegt. Für Durchführung und Bewertung der Prüfung ist verantwortlich, wer die Prüfung durchführt. Das Pflichtenheft legt die gültige Normfassung fest.
Prüflinge vom Modul bis zur Leistungsstufe
Der Prüfstand prüft einzelne Module und fertige Leistungsstufen.
- Leistungsmodule Module mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und Module aus Siliziumkarbid (SiC): Wärmewiderstand und Power Cycling.
- Umrichter und Wechselrichter Wirkungsgrad, Erwärmung und Lastwechsel unter Bestromung.
- Lade- und DC/DC-Elektronik Thermik und Dauerlauf mit Flüssigkeitskühlung.
- Flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper Druckverlust, Anpressung und Temperaturverteilung.
Auslegungsbereich
Die Tabelle nennt die Grenzen des Baukastens.
| Größe | Wert (Auslegung) | Bemerkung |
|---|---|---|
| Prüflinge | Module, Umrichter, Ladeelektronik | Bauteil bis Leistungsstufe |
| Last | DC und AC rückspeisend, bis 1 000 A | Bis 1 500 V DC |
| Messgröße | Rth, Wirkungsgrad, Temperatur | Je Lastpunkt |
| Kühlkreis | VE-Wasser, Wasser-Glykol | Leitfähigkeit überwacht |
| Rückverfolgbarkeit | Protokoll je Prüfling | Zeitstempel, Prüfmittelnummer |
Die Werte sind Grenzen des Baukastens und keine Zusage für ein bestimmtes Projekt. Das Pflichtenheft legt die Werte für Ihre Anlage fest.
Weitere Schwerpunkte und Anfrage
Für die Auslegung genügen 5 Angaben: Prüfling, Medium, Bereiche für Druck, Volumenstrom und Temperatur, Aufstellort und Termin. Ein Lastenheft hilft, ist aber keine Voraussetzung.
