Umfassendes Expertenwissen für ein langes Schaltungsleben

09.11.17 | Autor / Redakteur: Andreas Griesinger * / Gerd Kucera

Bild 1: Nicht jeder Test ist bei jedem Bauteil nötig; aus der Erfahrung wissen die ZFW-Experten genau, welche Simulation und welches Messverfahren anzuwenden ist.
Bild 1: Nicht jeder Test ist bei jedem Bauteil nötig; aus der Erfahrung wissen die ZFW-Experten genau, welche Simulation und welches Messverfahren anzuwenden ist. (Bild: Zentrum für Wärmemanagement)

In Fragen der Lebensdaueranalyse löst das ZFW in Stuttgart seit 15 Jahren erfolgreich sensible Aufgaben aus Industrie und Forschung. Die enge Kooperation mit der DHBW macht das möglich.

Beim Entwickeln von Leistungselektronik steht am Anfang eines jeden Design-Projekts das Abschätzen der Lebensdauer eines Systems. Um Re-Designs so weit wie möglich einzuschränken, muss diese Lebensdauerabwägung sehr früh im Entwicklungsprozess stattfinden.

Meist liefern beschleunigende Umweltprüfungen die Grundlage für diverse Berechnungsmodelle. Die Kombination vieler Materialien und Belastungsprofile sorgt aber für eine beinahe unüberschaubare Menge an Ausfallmechanismen. Der Entwickler muss bei dieser Menge an Parametern den Überblick behalten – das ist nicht einfach.

Zu den wichtigen Themenfeldern gehören nach wie vor thermische Interface-Materialien, die sogenannten TIMs. Also Pasten, Gele, Pads, Folien oder Klebstoffe, die für einen guten Wärmetransport zwischen zwei Festkörperoberflächen sorgen.

Diese TIMs machen an den Gesamtkosten eines Systems nur einen kleinen Teil aus, bestimmen aber zu einem wesentlichen Teil die Lebensdauer des Gesamtsystems. Genaue Informationen zum Alterungsverhalten der TIMs sind heute in den wenigsten Fällen verfügbar. Da bleibt dem Entwickler nur sein Bauchgefühl.

Der detaillierte Nachweis der Betriebssicherheit ist Pflicht

Ein typisches Beispiel für eine lange Lebensdauer sind Windkraftanlagen. 20 Jahre sind heute Standard, die Reise geht in Richtung 30 Jahre Zuverlässigkeit.

Wirtschaftlich interessant ist natürlich der Betrieb über die anfangs zertifizierte Lebensdauer hinaus. Das bietet die Möglichkeit, die Stromgestehungskosten deutlich zu senken. Der Weiterbetrieb erfordert den detaillierten Nachweis der Betriebssicherheit.

Die Entwickler sind hier mehrfach gefordert: Neben der sorgfältigen thermischen, elektrischen und mechanischen Auslegung muss das Augenmerk besonders auf Rework- und Updateprozessen liegen.

Besonderheiten in der elektrischen Antriebstechnik

Ein Merkmal der elektrischen Antriebstechnik ist, dass einer thermischen Belastung in der Regel auch eine Vibrationsbelastung überlagert ist. Deren reales Profil steht in der Entwicklungsphase nur selten zur Verfügung. Das ist dann die besondere Herausforderung.

Ein weiterer Punkt ist, dass in vielen Fällen die Einbausituation der Elektronik nicht bekannt ist. Beispielsweise wird das Motosteuergerät eines Pkw in verschiedenen Fahrzeugentypen an den unterschiedlichsten Stellen verbaut. Hier muss der Entwickler vom Worst-Case ausgehen.

Das Elektroniksystem muss also so ausgelegt sein, dass es in heißer Nachbarschaft ohne kühlende Anströmung und ohne wärmeableitende Anschraubung oder Stecker überlebt.

Wovon die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik abhängt

Statistisch gesehen ist die Temperatur bei über 50% der Elektronik die Ausfallursache. Dazu gehören die Überschreitung der maximal erlaubten Temperatur und die Belastung durch Temperaturwechsel.

Danach kommen bei den Ausfallursachen mechanische Einflüsse, beispielsweise durch Vibration, Schädigung durch Feuchte oder durch Staub. Interessant wird es, wenn man sich die Wechselwirkung der Schadensmechanismen näher betrachtet, die durch diese Einwirkungen zustande kommen.

Gründungsgedanken und Arbeitsschwerpunkte des ZFW

In Deutschland gibt es zwischen Hochschule oder Universität und der Industrie manchmal eine hohe gedankliche Mauer. Die Hochschulen profitieren zu wenig von den wichtigen praktischen Erfahrungen der Industrie und umgekehrt kommt das Knowhow der Hochschulen in der Praxis nicht an.

Die moderne Infrastruktur der Hochschulen, wie etwa teure Messtechnik, wird so manchmal nur für kurzfristige Forschungsprojekte genutzt. Mit dem Weggang des entsprechenden Doktoranden von der Hochschule ist das Wissen dann verloren und die Laborausrüstung verstaubt im Keller.

Die Idee bei der Gründung des Zentrum für Wärmemanagement (ZFW) vor 15 Jahren war, diese Mauer zumindest in meinem Bereich einzureißen. Das Knowhow und die Infrastruktur der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) sollten der Forschung und Lehre und der Industrie zur Verfügung stehen.

Andererseits wollte ich in meinen Vorlesungen den Praxisbezug nicht verlieren. Gedacht wurde zunächst nur an Projekte mit kleinen und mittleren Betrieben. Mittlerweile gehören aber auch viele Großkonzerne zu den Kunden des Zentrums für Wärmemanagement.

Ergänzendes zum Thema
 
Wissenstransfer auf dem Praxisforum (20.-22. März 2018)

Das ZFW beschäftigt sich seit seiner Grünung vor 15 Jahren mit dem Wärme-Management und der Lebensdaueranalyse elektronischer Komponenten und Systeme. Dazu gehören viele Berechnungs-, Mess- und Prüfmethoden.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeit ist, mögliche Zustände einer Elektronik schon in einem frühen Entwicklungsstadium vorherzusagen, zu optimieren und letztlich die Lebensdauer auf einen gewünschten Wert zu bringen.

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