Simulationsunterstützte Produktentwicklung von Leistungsmodulen für Bahnantriebe
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- Kerstin Hoch
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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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