Ingenieurbüro für CFD-Strömungsberechnungen
IGBT Transistoren 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)
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 von unserem Ingenieurbüro mit der Software FloEFD
Solidworks Flow Simulation 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 mit simuliert. 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 Millionen 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)