IGBT Sperrschichttemperatur-Messung im Betrieb zur Vorhersage der Restlebensdauer

Durch thermomechanischen Stress im Betrieb ermüden die Lotverbindungen eines Leistungsmoduls und der thermische Widerstand steigt. Bei gleichbleibender Belastung führt dies zu einer Erhöhung der Chiptemperatur und somit letztlich zum thermischen Ausfall des Moduls. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es sinnvoll, ein Aussage über die voraussichtliche Restlebensdauer treffen zu können, um ein Modul zum geeigneten Zeitpunkt austauschen zu können: nicht zu spät, nämlich wenn es bereits versagt hat, und nicht zu früh, um die volle Lebensdauer auszunutzen. Zusätzlich können bei stetiger Temperaturüberwachung Sicherheitsreserven optimal ausgenutzt werden.

Um den thermischen Widerstand, dessen Anstieg als Ausfallkriterium herangezogen wird, bestimmen zu können, muss die Chiptemperatur bekannt sein. Die gängige Bestimmung der Sperrschichttemperatur und darüber des thermischen Widerstandes erfolgt über die Messung der Kollektor-Emitter-Spannung. Dafür muss der Betrieb jedoch kurzzeitig unterbrochen werden.

Das ECPE-geförderte Projekt InSitu III hat deshalb zum Ziel, den aktuellen thermischen Widerstand während des Betriebs zu bestimmen. Hierfür wird die Temperaturabhängigkeit des internen Gatevorwiderstandes, der bei für Parallelschaltung konzipierten Chips zu finden ist, herangezogen. Über die Widerstandmessung wird die aktuelle Chiptemperatur im Betrieb ausgelesen und mit der in dem Moment umgesetzten Leistung ergibt sich der thermische Widerstand.

Die Messeinheit ist so entworfen, dass sie auch in einen Gatetreiber integriert werden kann.