Schwerpunkt · 03 · Elektrik

Prüfstände für die Leistungselektronik

Ein Umrichter fällt selten an einem stationären Punkt aus, sondern nach vielen Lastwechseln. Wir prüfen den Wärmepfad vom flüssigkeitsgekühlten Modul bis ins Kühlmittel — je Lastpunkt und über die Lebensdauer, mit einem Reinwasserkreis, dessen Leitfähigkeit überwacht wird.

Leistungselektronik-Prüfstand als durchgehende Front: links die Leistungsteil-Schränke mit Netzteil-Einschüben und Schaltschrank, in der Mitte die Prüfaufnahmen mit Pneumatikzylindern über B6-Brücken auf Kaltplatten, rechts und im Unterbau die Konditionier-Fluidik mit Verteilerbalken, Pumpen und Ventilsträngen — Leistungsteil, Prüfaufnahmen und Konditionierung — eine Anlage

Die Aufgabe

Den Wärmepfad messen — über die Lebensdauer

Ein Umrichter fällt selten an einem stationären Punkt aus, sondern nach vielen Lastwechseln. Interessant ist der Weg der Wärme vom Modul ins Kühlmittel und seine Veränderung über die Zeit.

Wärmewiderstand R_th — von der Sperrschicht bis ins Kühlmittel, je Lastpunkt.
Lastwechsel / Power Cycling — bis zum Ausfallkriterium, zur Lebensdauerbewertung.
Einfluss der Anpressung — Modul auf Kühlkörper, gemessen statt angenommen.
Rückspeisende DC- und AC-Last — echte Bestromung statt Heizwiderstand.
Reinwasserkreis — mit überwachter Leitfähigkeit, weil Ionen im Umrichter nichts verloren haben.
Schnelle Erfassung — galvanisch getrennt, bis in den kHz-Bereich.

Wie der Wärmewiderstand mit dem Lastpunkt wandert.

Kennwerte

Elektrisch und thermisch

Der Prüfstand bestromt den Prüfling echt und misst den Wärmepfad dabei mit.

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	R_th 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	Warmwasserkühlung eingeschlossen
Volumenstrom	1 bis 60 l/min	je Prüfling

Auslegungswerte, keine Projektzusage. Die Bereiche sind Grenzen unseres Baukastens; was in Ihrer Anlage möglich ist, steht im Pflichtenheft — vor dem Livegang durch die Technik zu bestätigen.

Verfahrensschema des Prüfstands · Symbolik ISO 10628, Kennzeichnung EN 62424 · Reinwasserkreis, Prüfstrang und rückspeisende elektrische Seite

Power-Cycling

Lastwechsel bis zum Ausfallkriterium

Der Power-Cycler bestromt das Modul zyklisch, misst die Sperrschichttemperatur ohne Fühler — über V_CE bei kleinem Messstrom als temperatursensitiven Parameter — und läuft, bis ein Ausfallkriterium greift. Orientiert an der ECPE-Richtlinie AQG 324.

QL-01 · PC_sec

Sekundenzyklen

Kurze Bestromung, steile Temperaturhübe: ermüdet Bonddrähte und Chip-Lot. Prüft die chipnahe Aufbau- und Verbindungstechnik.

QL-02 · PC_min

Minutenzyklen

Langsame Durchwärmung des ganzen Moduls: ermüdet die Lotschicht zur Bodenplatte. Prüft den großflächigen Wärmepfad.

Z_th-Messung

Abkühlkurve

Thermische Impedanz aus der Sprungantwort — schichtweise aufgelöst, vom Chip bis ins Kühlmittel. Die Veränderung über die Zyklen zeigt, welche Schicht altert.

Doppelpuls

Schaltverhalten

Schaltenergien und Überspannungen je Arbeitspunkt — die elektrische Seite desselben Prüflings, am selben Kühlkreis.

Regelwerk

Prüfungen und ihre Grundlagen

Die Qualifizierung von Leistungsmodulen ist normiert. Wir bauen die Prüfstände so, dass die Verfahren daraus sauber laufen — und der Nachweis im Protokoll steht.

Prüfung	Grundlage	Was sie belastet, was gemessen wird
Power-Cycling, Sekundenzyklen (PC_sec)	ECPE AQG 324 QL-01 · IEC 60749-34	Kurze Bestromung mit steilem Temperaturhub; ermüdet Bonddrähte und Chip-Lot. Ausfallkriterium typisch +5 % V_CE oder +20 % R_th
Power-Cycling, Minutenzyklen (PC_min)	ECPE AQG 324 QL-02 · IEC 60749-34	Langsame Durchwärmung des ganzen Moduls; ermüdet die Lotschicht zur Bodenplatte. Dieselben Kriterien, andere Schadensmechanik
Wärmewiderstand R_th(j-c)	JEDEC JESD51-14	Transient-Dual-Interface: zwei Abkühlkurven, mit und ohne Wärmeleitmittel; der Trennpunkt der Strukturfunktion liefert den Übergang Sperrschicht → Gehäuse
Thermische Impedanz Z_th	JEDEC JESD51-1 · IEC 60747-9	Sprungantwort über der Zeit, schichtweise aufgelöst; ihre Veränderung über die Zyklen zeigt, welche Schicht altert
Schaltverhalten, Doppelpuls	IEC 60747-9	E_on, E_off und Schaltzeiten je Arbeitspunkt, mit den dort festgelegten Schwellen (10 % / 90 % / 2 %) als Integrationsgrenzen
Temperaturwechsel (TST)	IEC 60068-2-14 · AQG 324	Passive Wechsel ohne Bestromung; trennt die thermomechanische Ermüdung von der Wirkung des Eigenverlusts
Dauerbelastung Sperrschicht (HTRB / HTGB)	IEC 60749-23 · AQG 324	Sperr- bzw. Gatespannung bei Höchsttemperatur über lange Zeit; der Leckstromverlauf ist das Kriterium
Feuchte unter Spannung (H3TRB)	IEC 60749-5 · AQG 324	85 °C und 85 % relative Feuchte unter Sperrspannung; prüft Passivierung und Verguss
Sicherheit des Aufbaus	IEC 62477-1	Luft- und Kriechstrecken, Schutztrennung, Berührungsschutz — Vorgabe an den Prüfaufbau, nicht nur an den Prüfling

Wir bauen die Prüfstände, wir zertifizieren nicht. Die Anlagen sind so ausgelegt, dass die genannten Abläufe darauf gefahren werden können; für die Prüfung selbst und ihre Bewertung ist verantwortlich, wer sie durchführt. Welche Normfassung im Projekt gilt, wird im Pflichtenheft festgelegt.

Prüflinge

Was wir prüfen

Vom einzelnen Modul bis zur fertigen Leistungsstufe.

Leistungsmodule

IGBT- und SiC-Module, Wärmewiderstand und Power Cycling.

Umrichter und Wechselrichter

Wirkungsgrad, Erwärmung, Lastwechsel unter echter Bestromung.

Lade- und DC/DC-Elektronik

Thermik und Dauerlauf an der flüssigen Kühlung.

Flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper

Druckverlust, Anpressung, Temperaturverteilung.

Auslegung

In diesem Fenster arbeiten wir

Größe	Wert (Auslegung)	Bemerkung
Prüflinge	Module · Umrichter · Ladeelektronik	Bauteil bis Leistungsstufe
Last	DC/AC rückspeisend, bis 1.000 A	bis 1.500 V DC
Messgröße	R_th, Wirkungsgrad, Temperatur	je Lastpunkt
Kühlkreis	VE-Wasser / Wasser-Glykol	Leitfähigkeit überwacht
Rückverfolgbarkeit	Protokoll je Prüfling	Zeitstempel, Prüfmittel-Nr.

Auslegungswerte, keine Projektzusage. Die Bereiche sind Grenzen unseres Baukastens; was in Ihrer Anlage möglich ist, steht im Pflichtenheft — vor dem Livegang durch die Technik zu bestätigen.

Aus dem Projekt

Einblicke

Anlagenfoto und Prüfplatz, dazu die Renderings des Power-Cycling-Prüfstands.

Leistungselektronik-Prüfstand mit Reinwasserkreis — Prüfstand und Reinwasserkreis

Leistungsmodul auf flüssigkeitsgekühltem Kühlkörper — Modul auf flüssigkeitsgekühltem Kühlkörper

Rendering des Power-Cycling-Prüfstands: 19-Zoll-Schrank mit Netzteilen, daneben der Prüfplatz mit IGBT-Modulen, Stromschienen und Reinwasserkreis in der Drahtgitter-Hülle — Power-Cycling-Prüfstand — Rendering

Rendering des Prüfplatzes: IGBT-Module auf Kupfer-Stromschienen mit Gate-Treiber und Kühlanschlüssen, halb fotorealistisch, halb Konstruktionszeichnung — Modul-Prüfplatz mit Stromschienen — Rendering

Rendering: Prüfaufnahme auf dem Trolley — Pneumatikzylinder pressen die Kontaktbrücke mit Pogo-Pin-Adapter auf die B6-Brücke, darunter im Schrank die Konditionier-Fluidik — Prüfaufnahme auf dem Trolley — Rendering

Etwas zu prüfen?

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