Simulationsunterstützte Produktentwicklung von Leistungsmodulen für Bahnantriebe

Transkript

1 , Samuel Hartmann, ABB Semiconductors Simulationsunterstützte Produktentwicklung von Leistungsmodulen für Bahnantriebe Symposium für Produktentwicklung & Product Lifecycle Management

2 Agenda ABB Semiconductors in Lenzburg IGBT Leistungsmodule und ihre Anwendung Simulationsunterstützte Produktentwicklung Degradation von Drahtverbindungen Optimierte Kühlung Simulation des Schaltverhaltens Zusammenfassung Slide 2

3 ABB Semiconductors in Lenzburg

4 ABB, ehemals BBC, 125 Jahre Geschichte, 100 Jahre Leistungselektronik Gleiche Anlage in Quecksilber-Dampf-Technik Gleiche Leistung heute Gleichtrichteranlage der Berner Oberland-Bahn 1913 Slide 4

5 ABB Semiconductors in Lenzburg 600 Angestellte in 3 Bereichen Thyristoren IGBT Chips IGBT Module Slide 5

6 Produkte aus Lenzburg IGBT chips IGBT module Elektronische Schaltelemente, welche Ströme leiten bis 5000 A Spannungen blockieren bis 8500 V Slide 6 Thyristoren

7 IGBT Leistungsmodule

8 IGBT chip E C G Slide 8

9 IGBT Modul IGBT chip 150 A Diode 300 A IGBT Modul 3600 A 24 x + 12 x = Slide 9

10 Aufbau des IGBT Moduls Slide 10

11 Anwendung des IGBT Moduls + Fahrleitung M Erdleitung VD C - Slide 11

12 Anwendung des IGBT Moduls + Fahrleitung M Erdleitung VD C - Slide 12

13 Anwendung des IGBT Moduls + Fahrleitung M Erdleitung VD C - Slide 13

14 Anwendung des IGBT Moduls + Fahrleitung M Erdleitung VD C - Slide 14

15 Temperaturverlauf im Betrieb Slide 15

16 Degradation von Drahtverbindungen

17 Zwei Fehlerbilder bei beanspruchten Bonddrähten Riss an Grenzschicht zu Chip Riss am Fussgelenk. bond wire crack chip Slide 17

18 Strom- und Temperaturverlauf in Lebensdauer-Experiment Slide 18

19 Simulations-Set-Up Mehre physikalische Disziplinen kombiniert Elektrischer Stromfluss Verlustwärme Wärmefluss Temperaturfeld Thermische Ausdehnung Mechanische Belastung Software Comsol Multiphysics 5.2 IGBT chip Leiterplatte Slide 19

20 Strom- und Temperaturverlauf in Simulation und Experiment Temperaturfeld nach Strompuls Thermische Ausdehung Mechanische Bewegung Stress Temperaturfeld vor Strompuls Slide 20

21 Verschiedene Diskretisierungen verwendet Elektrische Leitung: 4 µm dünne Metallisierung muss abgebildet werden Wärmeleitung und Stress: Feine Auflösung nur um Bonddrähte Slide 21

22 Temperaturhub ΔT = 15 C ΔT = 24 C ΔT = 52 C ΔT = 52 C ΔT avg = 65 C ΔT avg = 65 C Slide s Heizzeit 5 s Heizzeit, dafür weniger Strom

23 Mechanische Spannung Mechanische Spannung am höchsten Weitere zwischen interssante Draht Stelle? und Chip kein Unterschied 5 MPa 13 MPa Slide s Heizzeit 5 s Heizzeit, dafür weniger Strom

24 Nur 2 Drähte übrig Temperaturhub ΔT = 52 C ΔT = 140 C ΔT = 52 C ΔT = 160 C ΔT avg = 65 C ΔT avg = 67 C Slide 24 beide 5 s Heizzeit

25 Nur 2 Drähte übrig Mises Stress 13 MPa 24 MPa 31 MPa Slide 25 beide 5 s Heizzeit

26 Nur 2 Drähte übrig Mises Stress kurzer Draht langer Draht Slide 26 beide 5 s Heizzeit

27 Sichtbarmachen der Deformation Deformation skaliert um Faktor 10 Slide 27

28 Lernen aus der Simulation Stress an Grenzschicht Bonddraht zu Chip am höchsten Stress am «Fussgelenk» Längere Zykluszeit Bonddraht heizt auf Erhöhter Strom Sehr starke Belastung Generell Stromdichte hoch Weitere physikalische Effekte möglich Das Lernen geht weiter Lack auf Bondstelle verlängert Lebensdauer Effekt mechanisch oder chemisch? Slide 28

29 Optimierte Kühlung

30 Designentscheidung, Dicke der Modul-Grundplatte Neues IGBT-Modul «LinPak» Dicke der Grundplatte 3 mm oder 5 mm? Grundplatte 3 mm 5 mm Kostengünstig + - Mechanische Stabilität - + Wärmeabfuhr?? 1/4 der Geometrie simuliert Software: Comsol Multiphysics 5.2 Slide 30

31 Simulation der Wärmeabfuhr Dicke als Parameter im Modell 3 mm: Weg zum Kühler ist kürzer 5 mm: bessere Wärmespreizung 74.0 C 70.4 C 3 mm 5 mm Kostengünstig + - Mechanische Stabilität - + Wärmeabfuhr - + Slide 31

32 Unser Gewinn Frühere Entscheidung im Projekt möglich Kosten- und Zeitersparnis Wiederverwendbarkeit des Modells Parametrisches Modell Einfluss von Schichtdicken, Materialien, Chipgrössen Datenblattwerte für Wärmeabfuhr Slide 32

33 Simulation des Schaltverhaltens

34 Schaltverhalten der IGBT-Module Entwicklung eines neuen Moduls «LoPak» Laststrom stört Steuerspannung Rückwirkung auf Schaltverhalten Verschiedene Möglichkeiten der internen Chip- Anordnung Variante 1 Variante 2 2 IGBTs parallel Ausgeglichene Stromverteilung? I D D I D I D I Slide 34

35 Schaltkreissimulation in Spice Äussere Verschaltung Kopplungen zwischen Leitern im Modul Chip-Modelle Ansys Q3D Slide 35 Spice Simulator: Ansys Simplorer oder SIMetrix

36 Resultat aus Schaltkreissimulation Stromverteilung IGBTs in Ordnung Stromverteilung beim Ausschalten der Dioden ist kritisch! Variante 1 Variante 2 Slide 36

37 Unser Gewinn Zugänglichkeit schwer messbarer Grössen Frühe Erkennung von Risiken Stromungleichverteilung in Dioden Gezielte experimentelle Untersuchung Ausblick Genaue Vorhersage der Schaltgeschwindigkeit Genauere Chip-Modelle notwendig Slide 37

38 Zusammenfassung

39 Zusammenfassung Alle Beispiele sind aus aktuellen Projekten Gewinn aus Simulationen Besseres Verständnis kleineres Risiko Optimierung von Designs Besseres Produkt Kürzere Entwicklungszeit Weniger experimenteller Aufwand Die Module müssen trotzdem harte experimentelle Tests bestehen Sie werden es dank sorgfältiger Simulationen auch tun! Slide 39

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