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1. WO2020182885 - VERFAHREN ZUR BEWERTUNG DER THERMISCHEN BELASTUNG EINES UMRICHTERS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Bewertung des Schädigungszustandes einer betrieblich belasteten Halbleiterbaugruppe, insbesondere eines Antriebsumrichters, mit zumindest einem auf oder in einem Trägeraufbau (2) angeordneten Halbleiterbauelement (1) , wobei eine innerhalb des Halbleiterbauelements (1) auftretende Temperatur ( Tj ) in Form einer Zeitreihe als hochzyklischer Last-Zeit- Verlauf ermittelt wird, dem mithilfe an sich bekannter Auswertealgorithmen ein erster Schädigungskennwert ( LCPC ) zugeordnet wird, und eine im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc) in Form einer Zeitreihe als niederzyklischer Last-Zeit-Verlauf ermittelt wird, dem mithilfe der an sich bekannten Auswertealgorithmen ein zweiter Schädigungskennwert ( LCTC) zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste

Schädigungskennwert (LCPC ) zur Identifizierung eines hochzyklischen Ist-Betriebszustandsbereiches der Halbleiterbaugruppe durch Vergleich des ersten Schädigungskennwertes ( LCPC ) mit einem vorgegebenen ersten Referenzwert ( LCPC, ref ) einem unkritischen, einem kritischen und einem überkritischen

Betriebszustandsbereich für hochzyklische Belastungen der Halbleiterbaugruppe zugeordnet wird, und der zweite Schädigungskennwert ( LCTC ) zur Identifizierung eines niederzyklischen Ist-Betriebszustandsbereiches der Halbleiterbaugruppe durch Vergleich des zweiten Schädigungskennwertes ( LCTC ) mit einem vorgegebenen zweiten Referenzwert ( LCTC, ref ) einem unkritischen, einem kritischen und einem überkritischen Betriebszustandsbereich für niederzyklische

Belastungen der Halbleiterbaugruppe zugeordnet wird, und in weiterer Folge ein erstes Anzeigesignal generiert wird, falls sowohl der hochzyklische als auch der niederzyklische IST-Betriebszustandsbereich einem unkritischen Betriebszustandsbereich entsprechen, ein zweites Anzeigesignal generiert wird, falls der hochzyklische oder der niederzyklische IST- Betriebszustandsbereich einem kritischen

Betriebszustandsbereich und beide keinem überkritischen Betriebszustandsbereich entsprechen, und ein drittes Anzeigesignal generiert wird, falls der hochzyklische oder der niederzyklische IST- Betriebszustandsbereich einem überkritischen

Betriebszustandsbereich entspricht, wobei

-) es sich beim zeitlichen Verlauf des ersten Referenzwertes ( LCPC, ref ) sowie des zweiten

Referenzwertes ( LCTC , ref ) während des Betriebes der Halbleiterbaugruppe jeweils um eine vorgegebene, monoton ansteigende Funktion handelt, die bei Erreichen der maximalen Lebensdauer den Wert 1 annimmt, und

-) die Ermittlung des ersten Schädigungskennwertes ( LCpc ) während des Betriebes des Umrichters oftmals in vorgegebenen Zeitabständen anhand von aktuell ermittelten hochzyklischen Last-Zeitverläufen wiederholt und mit dem ersten Referenzwert ( LCPC, ref ) verglichen wird, und

-) die Ermittlung des zweiten Schädigungskennwertes ( LCTC ) während des Betriebes des Umrichters oftmals in vorgegebenen Zeitabständen anhand von aktuell ermittelten niederzyklischen Last-Zeitverläufen wiederholt und mit dem zweiten Referenzwert ( LCTC, ref ) verglichen wird, um jeweils ein Anzeigesignal zum aktuellen Belastungszustand zu generieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein unkritischer Betriebszustandsbereich jeweils dann vorliegt, falls der Schädigungskennwert ( LCPC , LCTC ) unterhalb eines Abweichungsbereiches des ihm zugeordneten Referenzwertes ( LCPC, ref, LCTC, ref liegt, ein kritischer Betriebszustandsbereich jeweils dann vorliegt, falls der Schädigungskennwert ( LCPC, LCTC ) innerhalb des Abweichungsbereiches des ihm zugeordneten Referenzwertes ( LCPC, ref, LCTC, ref liegt, und ein überkritischer Betriebszustandsbereich jeweils dann vorliegt, falls der Schädigungskennwert (LCPC, LCTC) oberhalb des Abweichungsbereiches des ihm zugeordneten Referenzwertes ( LCPC,ref, LCTC,refliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abweichungsbereich der Referenzwerte (LCPC,ref, LCTC,ref) im Wertebereich von 80-100% der Referenzwerte ( LCPC, ref, LCTC, ref) liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertealgorithmen eine anhand des hochzyklischen Last-Zeitverlaufes durchgeführte Rainflow-Zählung umfassen, mittels der für die innerhalb des Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj) die Häufigkeit eines

Temperaturhubes (DTj) einer bestimmten Größenordnung für unterschiedliche Größenordnungen gezählt wird, sowie eine rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nj,f) für einen Temperaturhub (DTj) einer jeden Größenordnung, wobei es sich beim ersten Schädigungskennwert (LCPC) um die Summe der Quotienten aus der Häufigkeit eines

Temperaturhubes (DTj) einer bestimmten Größenordnung für die innerhalb des Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj) zur maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nj,f) für einen Temperaturhub (DTj) derselben Größenordnung handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Temperaturhub (DTj) einer bestimmten Größenordnung für die innerhalb des

Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj) ein Mittelwert (Tj,m) für die innerhalb des

Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj) für die betreffende Größenordnung ermittelt wird, und die rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nj,f) für den Temperaturhub (DTj) einer jeden Größenordnung gemäß der folgenden Formel errechnet wird:

Nj,f = A. DTja. exp (c/ (kB. Tj,m) )

wobei es sich bei A, c und a. um empirisch oder mittels Simulation für die betreffende Halbleiterbaugruppe bestimmte Parameter handelt und kB=1.38.10-23 J/K ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines erwarteten hochzyklischen Referenz-Last-Zeitverlaufes eine

Rainflow-Zählung durchgeführt wird, mittels der für die innerhalb des Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj,ref) die Häufigkeit eines Temperaturhubes (DTj , ref) einer bestimmten Größenordnung für unterschiedliche Größenordnungen gezählt wird, sowie eine rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nj,f,ref) für einen Temperaturhub (DTj,ref) einer jeden Größenordnung, wobei es sich beim ersten Referenzwert (LCPC,ref) um die Summe der Quotienten aus der Häufigkeit eines Temperaturhubes (DTj,ref) einer bestimmten Größenordnung für die innerhalb des Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj,ref) zur maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nj,f,ref) für einen Temperaturhub (DTj,ref) derselben Größenordnung handelt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Temperaturhub (DTj,ref) einer bestimmten Größenordnung für die innerhalb des

Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj,ref) ein Mittelwert (Tj,m,ref) für die innerhalb des Halbleiterbauelements auftretende Temperatur (Tj,ref) für die betreffende Größenordnung ermittelt wird, und die rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nj,f,ref) für den Temperaturhub (ATj,ref) einer jeden Größenordnung gemäß der folgenden Formel errechnet wird:

Nj , f , re f = A . DTj , ref a . exp ( d/ ( kB · Tj, m, ref ) )

wobei es sich bei A, c und a um empirisch oder mittels Simulation für die betreffende Halbleiterbaugruppe bestimmte Parameter handelt und kB=1.38.10-23 J/K ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertealgorithmen eine anhand des niederzyklischen Last-Zeitverlaufes durchgeführte Rainflow-Zählung umfassen, mittels der für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc) die Häufigkeit eines Temperaturhubes (DTC) einer bestimmten Größenordnung für unterschiedliche Größenordnungen gezählt wird, sowie eine rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nc,f) für einen Temperaturhub (DTC) einer jeden Größenordnung, wobei es sich beim zweiten Schädigungskennwert (LCTC) um die Summe der Quotienten aus der Häufigkeit eines Temperaturhubes (DTC) einer bestimmten Größenordnung für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc) zur maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nc,f) für einen Temperaturhub (DTC) derselben Größenordnung handelt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Temperaturhub (DTC) einer bestimmten Größenordnung für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc) ein Mittelwert (Tc,m) für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc) für die betreffende Größenordnung ermittelt wird, und die rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nc,f) für den Temperaturhub (DTC) einer jeden Größenordnung gemäß der folgenden Formel errechnet wird:

Nc,f = B. DTCb.exp(d/ (kB.Tc,m) )

wobei es sich bei B, d und ß um für die betreffende Halbleiterbaugruppe empirisch oder mittels Simulation bestimmte Parameter handelt und kB=1.38.10-23 J/K ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines erwarteten niederzyklischen Referenz-Last-Zeitverlaufes eine Rainflow-Zählung durchgeführt wird, mittels der für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc,ref) die Häufigkeit eines Temperaturhubes (DTc,ref) einer bestimmten Größenordnung für unterschiedliche

Größenordnungen gezählt wird, sowie eine rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen ( Nc, f , ref) für einen Temperaturhub (DTc,ref) einer jeden Größenordnung, wobei es sich beim zweiten Referenzwert (LCTC,ref) um die Summe der Quotienten aus der Häufigkeit eines Temperaturhubes (DTc,ref) einer bestimmten Größenordnung für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc,ref) zur maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nc,f,ref) für einen Temperaturhub ( DTC, ref) derselben Größenordnung handelt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Temperaturhub (DTc,ref) einer bestimmten

Größenordnung für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc,ref) ein Mittelwert (Tc,m,ref) für die im Trägeraufbau (2) auftretende Temperatur (Tc,ref) für die betreffende Größenordnung ermittelt wird, und die rechnerische Ermittlung der maximalen Anzahl an Belastungszyklen (Nc, f,ref) für den Temperaturhub (DTc,ref) einer jeden Größenordnung gemäß der folgenden Formel errechnet wird:

NC, f,ref = B. DTC, ref b . exp ( d/ ( kB · TC,m,ref ) ) wobei es sich bei B, d und b um für die betreffende Halbleiterbaugruppe empirisch oder mittels Simulation bestimmte Parameter handelt und kB=1.38.10-23 J/K ist.

12. Antriebsumrichter mit einem Prozessor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.