Zuverlässigkeit der AVT von Leistungsmodulen - Dynardo GmbH
Zuverlässigkeit der AVT von Leistungsmodulen - Dynardo GmbH
Zuverlässigkeit der AVT von Leistungsmodulen - Dynardo GmbH
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<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Geometrische <strong>Zuverlässigkeit</strong>soptimierung <strong>der</strong> <strong>AVT</strong><br />
in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Dr. Carmen Faust-Ellsässer, AE/EES3<br />
1<br />
Automotive Electronics<br />
AE/EES3-Faust-Ellsässer | 22.11.2013 | © Robert Bosch <strong>GmbH</strong> 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. je<strong>der</strong> Verfügung, Verwertung,<br />
Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall <strong>von</strong> Schutzrechtsanmeldungen.
<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Inhalt<br />
<br />
Einleitung<br />
• Elektrische Antriebe im Fahrzeug: Belastung & Belastbarkeit<br />
<br />
Simulationsmethode<br />
• Berechnung <strong>der</strong> thermischen Belastung eines Designelements<br />
<br />
Kopplung mit Optimierung<br />
• <strong>Zuverlässigkeit</strong>sgestaltung<br />
<br />
Anwendungsbeispiel<br />
2<br />
Automotive Electronics<br />
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Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall <strong>von</strong> Schutzrechtsanmeldungen.
<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Elektrische Antriebe im Fahrzeug<br />
P [W]<br />
Steering Drive<br />
Engine Cooling<br />
Drive Unit<br />
Boost<br />
recuperation<br />
Blower Controller<br />
10000<br />
1000<br />
Light electric<br />
vehicles<br />
Wiper Drive<br />
500<br />
Window lifter<br />
50<br />
12-24 36-72 300-400 230-380<br />
U [V]<br />
(H)EV<br />
Hier: Betrachtung <strong>der</strong> Leistungsendstufen<br />
Automotive Electronics<br />
3<br />
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Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall <strong>von</strong> Schutzrechtsanmeldungen.
<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> <strong>von</strong> <strong>Leistungsmodulen</strong><br />
V-Modell und Vorgehensweise<br />
Belastung<br />
Belastbarkeit<br />
Beanspruchung<br />
Beanspruchbarkeit<br />
Auf Beanspruchungsebene: Geometrieunabhängige Betrachtung möglich;<br />
aber eine Konstruktion, viele Fahrzyklen Belastungsebene<br />
Automotive Electronics<br />
4<br />
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<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> <strong>von</strong> <strong>Leistungsmodulen</strong><br />
Belastbarkeit: Physics-of-Failure<br />
<br />
<br />
Designelement spezifischer Ausfallmechanismus:<br />
• Z.B. Bondabheber durch thermomechanischen<br />
Missmatch<br />
Modellierung des Ausfallzeitpunkts für<br />
Temperaturhub ∆T j und Mittentemperatur T<br />
(1)<br />
m<br />
N<br />
Coffin-Manson für Abhängigkeit<br />
<strong>von</strong> Temperaturhub<br />
f<br />
<br />
Q<br />
<br />
AT<br />
<br />
<br />
j<br />
exp<br />
<br />
R T<br />
<br />
m <br />
Arrhenius für Abhängigkeit<br />
<strong>von</strong> Mittentemperatur<br />
<br />
End-of-life Versuche: Bestimmung <strong>von</strong> und Q<br />
• mit verschiedenen Temperaturhüben<br />
• mit verschiedenen Mittentemperaturen<br />
(1)<br />
Held, M. et al., 1997<br />
Automotive Electronics<br />
5<br />
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<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Typische Belastungen <strong>der</strong> Halbleiter: P Verlust<br />
Verlustleistung<br />
Anwendung 1<br />
<br />
<br />
<br />
Deutlich Unterschiede in den Belastungen:<br />
Höhe & Dauer<br />
Daher: Optimierung <strong>der</strong> Aufbau- und<br />
Verbindungstechnik (<strong>AVT</strong>) für den<br />
anwendungsrelevanten Belastungsfall<br />
Betrachtung des transienten Verhaltens<br />
nötig<br />
Verlustleistung<br />
Anwendung 2<br />
Zeit<br />
Zeit<br />
Verlustleistung<br />
Anwendung 3<br />
Verlustleistung<br />
Anwendung 4<br />
Automotive Electronics<br />
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Zeit<br />
Zeit
<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Information über therm. Verhalten: Z th -Kurve<br />
<br />
Z th -Kurve = transiente Temperaturantwort <strong>der</strong> Verlustleistungsquelle<br />
auf konstanten und normierten Verlustleistungseintrag<br />
Schlechtere Wärmeleitfähigkeit<br />
<strong>der</strong> Wärmeleitpaste<br />
T<br />
Referenz<br />
Gelöteter HL<br />
10 -1 10 0 10 1 10 2<br />
Zeit [s]<br />
Wärmesenke<br />
Heatsprea<strong>der</strong> (Kupfer)<br />
Wärmeleitpaste<br />
Kühlkörper (Aluminium)<br />
Automotive Electronics<br />
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Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall <strong>von</strong> Schutzrechtsanmeldungen.
T<br />
T [<br />
40<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> <strong>von</strong> <strong>Leistungsmodulen</strong><br />
20<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Modellbasierte Zeit <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
Time [s]<br />
Time [s]<br />
50<br />
Phase V, Verlustleistung<br />
T [<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
50<br />
Phase W, Verlustleistung<br />
Verlustleistung<br />
40<br />
FE-Rechnung 30 &<br />
P V [W]<br />
Faltung (1)<br />
20<br />
10<br />
P V [W]<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Phase V, Temperatur<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sprognose<br />
Phase W, Temperatur<br />
Zeit<br />
T<br />
0<br />
0<br />
HL<br />
20 1 40 6080<br />
80 100 120<br />
HL 2 Time [s]<br />
Rainflow-<br />
60<br />
HL 3<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
analyse (2)<br />
T [K]<br />
40<br />
0<br />
0<br />
V<br />
20 PTR 40 6080<br />
80 100 120<br />
V LS Time [s]<br />
60<br />
V HS<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
T [K]<br />
Validierung<br />
40<br />
W PTR<br />
W LS<br />
W HS<br />
20<br />
20<br />
Verlustleistung<br />
(1)<br />
Gerstenmaier Y.C., Wachutka G, 2004<br />
(2)<br />
WAFO-Toolbox, Brodtkorb, P.A., et al., 2000<br />
(3)<br />
Held, M. et al., 1997<br />
#Temperaturhübe<br />
Automotive Electronics<br />
Zeit<br />
Zeit<br />
8<br />
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Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall <strong>von</strong> Schutzrechtsanmeldungen.<br />
T<br />
P V [W]<br />
0<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Time [s]<br />
Phase V, Verlustleistung<br />
#Temperaturhübe<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Time [s]<br />
P V [W]<br />
0<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
T<br />
Time [s]<br />
Lebensdauermodell<br />
(3)<br />
Phase W, Verlustleistung<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Time [s]
<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Faltung zur transienten Temperaturberechnung<br />
Thermische FE-Rechnung<br />
ANSYS Workbench<br />
Kopplung an<strong>der</strong>e HL<br />
∆T Kopplung 0.5∆T Eigenerwärmung<br />
P v = 1W ∆T Eigenerwärmung<br />
Lineare Superposition<br />
Summe über Eigenerwärmung<br />
& Kopplung<br />
T<br />
T<br />
i<br />
t<br />
<br />
<br />
<br />
j<br />
Faltung (1)<br />
Matlab<br />
t<br />
dPj<br />
<br />
<br />
Z <br />
d<br />
d<br />
<br />
0<br />
th<br />
ji<br />
<br />
t <br />
d<br />
HL 1<br />
HL 2<br />
HL 3<br />
Zeit<br />
Möglichkeit zur schnellen Berechnung <strong>der</strong> Leistungsendstufen für komplexe<br />
Fahrzyklen<br />
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Automotive Electronics<br />
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Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall <strong>von</strong> Schutzrechtsanmeldungen.<br />
Verlustleistung<br />
(1)<br />
Gerstenmaier Y.C., Wachutka G, 2004
<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> <strong>von</strong> <strong>Leistungsmodulen</strong><br />
Designoptimierung unter ZuvG-Gesichtspunkten<br />
Input:<br />
Konstruktion &<br />
Randbedingungen<br />
(insb. Kühlung)<br />
T<br />
Belastung<br />
Zeit<br />
HL 1<br />
V PTR<br />
W PTR<br />
80<br />
80<br />
HL 2<br />
HL 3<br />
V LS<br />
V HS<br />
W LS<br />
W HS<br />
60<br />
60<br />
40<br />
40<br />
20<br />
20<br />
0<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
T [K]<br />
Phase V, Temperatur<br />
Time [s]<br />
T [K]<br />
Phase W, Temperatur<br />
Time [s]<br />
Belastbarkeit<br />
ANSYS/Matlab<br />
Verlustleistung<br />
P V [W]<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Phase V, Verlustleistung<br />
P V [W]<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Phase W, Verlustleistung<br />
Zeit<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Time [s]<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Time [s]<br />
Parametrisierte<br />
Geometrie<br />
Optimum?<br />
Output:<br />
Optimales<br />
Design<br />
OptiSLang<br />
Output:<br />
: Paretoanalyse<br />
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<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> <strong>von</strong> <strong>Leistungsmodulen</strong><br />
Beispiel: Parameteroptimierung<br />
<br />
Optimierung Aufbau Leistungsmodul:<br />
Beispiel – Höhe des Cu Headsprea<strong>der</strong>s<br />
gelöteter<br />
Halbleiter<br />
<br />
TIM<br />
Anbindung an Kühler<br />
Cu Headsprea<strong>der</strong><br />
Optimierungskriterium: aus typischen<br />
Belastungszyklen<br />
min F<br />
c T<br />
1 max, kurz<br />
c T<br />
2<br />
max, mittel<br />
R<br />
th<br />
Ergebnis <strong>der</strong> Designoptimierung:<br />
Einfluss<br />
Höhe des Kupfer<br />
Headsprea<strong>der</strong>s<br />
Automotive Electronics<br />
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<strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>der</strong> <strong>AVT</strong> in <strong>der</strong> Leistungselektronik<br />
Zusammenfassung<br />
<br />
<br />
Vorstellung: Methode zur Geometrieoptimierung <strong>von</strong><br />
<strong>Leistungsmodulen</strong> unter <strong>Zuverlässigkeit</strong>sgesichtspunkten<br />
In frühen Projektphasen ist eine konsistente Bewertung <strong>von</strong><br />
Geometrievarianten für anwendungsrelevante Belastungen möglich<br />
<br />
Kopplung <strong>von</strong> thermischen FE-Simulationen an Lebensdauerbewertung<br />
mittels eines Lebensdauermodells<br />
• Schnelle Bewertung<br />
• Verständnis <strong>der</strong> Wirkzusammenhänge<br />
<br />
Parameteroptimierung des Produktdesigns: kein Overdesign bei<br />
gefor<strong>der</strong>ter <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
Mit rechnergestützter <strong>Zuverlässigkeit</strong>sgestaltung <strong>der</strong> Leistungsendstufen ist<br />
schneller, besser und preiswerter entwickeln möglich!<br />
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