Thermische Auslegung der Leistungselektronik für Niederfrequenzen

Zuverlässigkeit

IGBTs sind im Betrieb hohen thermomechanischen Wechselbelastungen ausgesetzt, die zu Alterung, Materialermüdung, Verschleiß und schliesslich zum Ausfall führen können. Die Schaltverluste und die Temperaturen der Transistoren können für Frequenzen von 50 Hz und höher als zeitunabhängig betrachtet werden. Bei Niederfrequenzen ist das Ein- und Ausschalten so langsam, dass dieses ein zeitabhängiges Temperaturverhalten der Transistoren verursacht. Die Lebensdauer eines IGBTs ist über die Anzahl der Temperaturzyklen definiert, diese fällt mit steigender Amplitude der Chiptemperaturschwankungen.
Für die Steuerung der Traktionsmotoren im Nahverkehr werden die Chips während der Fahrzeug-Einsatzdauer 1 bis 10 Millionen Lastwechsel im Temperaturbereich zwischen 15 K und 40 K erleben. Wenn weder die Chips noch die Anschlüsse upgegradet werden können, sollte der Temperaturbereich durch eine effizientere Kühlung reduziert werden.

 
Oberflächentemperaturen  der IGBTs und Dioden bei 0,1 Hz tiefer Frequenz
(Videozeit ist Echtzeit), Lüfter auf der linken Seite


Oberflächentemperaturen  der IGBTs und Dioden bei 1 Hz tiefer Frequenz
(Videozeit ist Echtzeit)

Berechnung

In diesem Beispiel sind die Halbleiter in einem Semikron IGBT-Leistungsmodul integriert und auf einem Kühlkörper montiert. Die Wärmeverluste werden durch erzwungene Konvektion zwischen den Kühlrippen abgeführt.

Diese Berechnungen wurden mit der Software FloEFD bei Einschaltung der "transient" Option durchgeführt. Der Zeitschritt beträgt ein hundertstel der Periode. Das zeitabhängige Verhalten der Verluste im Betrieb wurde eingegeben. Es war vorher bekannt, dass bei solchen Chiptemperaturen die Wärmestrahlung eine zu vernachlässigende Grösse darstellt; sie wurde nicht mitsimuliert. Die Berechnung der natürlichen Konvektion im Gehäuse wurde durch die Berücksichtigung der Gravitationseffekte ermöglicht.

Dank der benutzerfreundlichen Oberfläche von FloEFD sowie leistungsstarker Prozessoren wurden die Ergebnisse schnell erreicht. Das Rechengebiet wurde auf etwa 1/2 Million Gitterzellen zerteilt . Für die extreme Bedingung von einer 0,1 Hz Frequenz, schwankt die IGBT-Temperatur zwischen 45 und 60°C. Es entspricht nur etwa 1 Million Zyklen oder einem Jahr Betrieb mancher Windkraftanlagen.

 
Lufttemperaturen in einem IGBT-Gehäuse bei 0,1 Hz tiefer Frequenz
(Videozeit ist Echtzeit)


Lufttemperaturen in einem IGBT-Gehäuse bei 1 Hz tiefer Frequenz
(Videozeit ist Echtzeit)

Tiefe Frequenzen bei Onshore-Windkraftanlagen:

On-Shore Windkraftanlagen werden meist mit einem doppeltgespeisten Asynchrongenerator mit Schleifringläufer betrieben. Die Läuferwicklung wird mit einer niedrigen veränderlichen Frequenz typischerweise zwischen 0-10 Hz versorgt. Diese erlaubt trotz Lastwechsel aufgrund der Schwankungen der Windgeschwindigkeit die Erzeugung eines Stroms mit der Netzfrequenz direkt am Generator. Die Transistoren des Frequenzumrichters weisen hohe Temperaturschwankungen auf. Hier kann eine effektivere Kühlung durch den Einsatz der 3D thermischen Simulation erreicht werden.

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