Für den drehzahlvariablen Betrieb des elektrischen Antriebs in einem Hybrid-Antriebssystem ist der Einsatz von leistungselektronischen Komponenten notwendig. Derzeitig eingesetzte Antriebselektroniken erfordern einen erhöhten Systemaufwand, da neben der Antriebselektronik auch ein zusätzliches Rückkühlsystem erforderlich ist. Die Integration der Elektronik an den Antriebstrang und Vermeidung des zusätzlichen Kühlkreislaufs ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Leistungsdichte. Die Nutzung des Verbrennungsmotorkühlkreislaufs und die damit verbundene hohe Kühlmitteltemperatur erfordern jedoch den Betrieb der Leistungselektronik bei erhöhten Temperaturen. Der Betrieb der Leistungsbauelemente bei Temperaturen von bis zu 200 °C und die Beanspruchung durch hohe Kühlmitteltemperaturen erhöhen die Lebensdaueranforderungen an die Elektronik. Die Aufbautechnologie derzeitig verfügbarer Leistungsmodule beschränkt jedoch Lastwechselfestigkeit und damit die maximale Betriebstemperatur. Hier wird daher aufgezeigt, wie durch verbesserte Aufbautechnologie die Power Cycling und Thermal Cycling Festigkeit der Module verbessert werden kann. Verbesserte Bonddrahttechnologie, Chiplötung und die Niedertemperaturverbindungstechnik zur Substratverbindung werden untersucht. Die Ergebnisse der aktiven und passiven Lastwechseltests zeigen das Potential zur Integration der Elektronik bei hohen Betriebstemperaturen auf. Um die Leistungselektronik im vorhandenen Kühlkreislauf zu integrieren ist zudem eine effiziente Kühlung notwendig. CFD Simulationen und Messungen wurden eingesetzt um die Direktkühlung mit einer Kupfer Pin Fin Bodenplatte zu optimieren. So konnte erreicht werden, dass die Elektronik einen Druckabfall von nur 20 mbar bei einer hohen Kühleffizienz verursacht. Neben der Kühlung, Temperaturbeanspruchung und Vibration der Leistungselektronik müssen weitere Aspekte bei der Integration berücksichtigt werden. Auch die optimale elektrische Integration ist notwendig. Unter anderem wurden Induktivitätssimulationen durchgeführt um die Verbindung zwischen Hochtemperatur-Zwischenkreiskondensator und Leistungsmodul zu optimieren.
A main component of the hybrid drive system is the electric drive combined with the internal combustion engine. For variable Speed operation of the electric drive the use of power electronics components is essential. Integrating power electronics near to the drive train and eliminating the additionally used coolant loop is a possibility to realize higher power density. The use of engine coolant loop will require the Operation of Silicon devices at high temperature levels. The operation of power electronics at elevated coolant temperature and junction temperature till 200 °C intensifies the demands an the life time of the incorporated components. Such demands cannot be met with the current state of the art, as the assembly technology is limiting the maximum operation temperature of the power modules. In this work results are presented for testing power modules at elevated temperature and with improved assembly technologies. Improved wire bonds, chip solder and low temperature joining technique for the substrate connection are investigated. Results of power- and thermal cycling tests show the potential of these new assembly technologies to allow integration of power electronics at high temperature. To integrate the power module in the existing coolant loop a copper pin fin baseplate is utilized, which results in a high efficiency cooling with low additional pressure drop of only 20 mbar. CFD simulations and measurements are performed to optimize the cooling structure. Not only cooling, vibration loading and temperature stressing must be regarded as essential factors for the integration power electronics. Also the optimal electrical integration is essential. Inductance simulations are performed to optimize the interface between high temperature DC link capacitor and power module.
Integration Leistungselektronik für höhere Betriebstemperatur
2010
15 Seiten, 18 Bilder, 10 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
Integration Leistungselektronik fuer hoehere Betriebstemperatur
Kraftfahrwesen | 2010
|Betriebstemperatur der Radsatzrollenlager von Schienenfahrzeugen
TIBKAT | 1976
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