In-Situ-Zustandsüberwachung von IGBT-Leistungshalbleitern mittels Echtzeit-Sperrschichttemperaturmessung

Zur Verifikation der Alterung und der Betriebsbelastung eines IGBT-Leistungsmoduls im Feld wird in dieser Arbeit ein neues Verfahren zur In-Situ-Zustandsüberwachung und zur Echtzeit-Sperrschichttemperaturmessung eines Leistungshalbleiters vorgestellt und in einem Wechselrichter erprobt. Die zur Sperrschichttemperaturmessung entwickelte IGBT-Treiberschaltung misst die Temperatur des auf dem Leistungshalbleiter befindlichen internen Gate-Widerstandes durch eine kurzzeitige Überlagerung der negativen Steuerspannung mit einem sinusförmigen Identifikationssignal. Die während des Wechselrichterbetriebes mit einem niederfrequenten Ausgangsstrom ersichtlichen Sperrschichttemperaturzyklen ermöglichen eine gezielte Überwachung des mit der Alterung eines Leistungsmoduls korrelierenden thermischen Widerstandes zwischen dem Leistungshalbleiter und dem DCB-Substrat sowie eine zusätzliche Überwachung des thermischen Gesamtwiderstandes tieferliegender Materialschichten. Die während der Nutzungsphase auftretende Betriebsbelastung wird mit einem echtzeitfähigen Rainflow-Algorithmus erfasst. Die vorliegende Arbeit präsentiert damit erstmalig einen implementierbaren Ansatz zur umfassenden thermischen Überwachung eines Leistungshalbleiters und dessen betrieblicher Belastung im Feld.