Intelligente Lebensdauerprognose von Leistungselektronik

Die Zuverlässigkeitsprognose von technischen Systemen ist aus wissenschaftlicher Sicht von Interesse, bietet aber auch unter ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten viele Vorteile. Beispielsweise im Fall von kritischer Infrastruktur, durch eine präzise Zustandsüberwachung kann eine höhere Zuverlässigkeit erreicht werden. Weitere Vorteile sind, dass sich Ausfallzeiten durch einen frühzeitigen Tausch von Systemkomponenten vermeiden lassen. In konventionellen Kraftwerken, bei der Hochspannungs-Gleichstromübertragung, bei elektrischen Antrieben werden leistungselektronische Umrichter ebenso benötigt wie in Windparks, um den erzeugten Strom an die Spannung, Frequenz und Phasenlage anzupassen. 

Eine Schwachstelle im Laufe der Lebensdauer sind oftmals die Leistungshalbleiter-Module, in denen durch Verluste hohe Temperaturen und Temperaturschwankungen entstehen. Thermomechanische Belastungen führen dabei auch bei optimierten Designs und Kühlungsstrategien im Laufe der Zeit zu Degradationen und schließlich zu einem Ausfall. Bislang gibt es keine Technologie, die den Ausfall verlässlich prognostizieren kann. Bisherige statistische Lebensdauermodelle basieren auf dem Ausfallverhalten und einer Zyklenzahl durch Temperatur- und Lastwechseltests, die jedoch aufgrund verschiedener Faktoren im Alterungsprozess ungenau bleiben. An Universitäten, Forschungsinstituten und in Unternehmen werden neue Methoden für Zuverlässigkeitsprognosen evaluiert und getestet, die - alternativ oder ergänzend zu bisherigen Lebensdauermodellen - eine genauere Bestimmung des Alterungszustandes von Leistungshalbleiter-Modulen ermöglichen sollen. Neue Forschungsergebnisse führen zu der begründeten Annahme, dass eine graduelle Bestimmung von Degradationen in Zukunft möglich ist. Dies ermöglicht die Erstellung intelligenter Lebensdauermodelle, die beispielsweise durch die kontinuierliche Auswertung von In-situ-Messungen angepasst werden können.

Philipp Bickel,
2021/2022 Vorstandsvorsitzender der VDE Hochschulgruppe der TU Berlin
Bachelor und Masterstudium an der TU Berlin
Studienschwerpunkt : Energietechnik und Leistungselektronik
Praktika u.a. bei Verteilnetzbetreiber Innogy
Werkstudententätigkeit bei Siemens

 

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Die Teilnahme ist kostenfrei, Gäste sind herzlich willkommen.