Wechsellastfestigkeit Der Igbt- Module Und Leistungsteile; Allgemeines; Igbt- Modul Mit Zyklisch Wechselnder Strombelastung - Siemens SINAMICS G130 Projektierungshandbuch

Grundlagen und Systembeschreibung
Projektierungshinweise
1.11 – – –

1.12 Wechsellastfestigkeit der IGBT- Module und Leistungsteile

1.12.1

Allgemeines

Unter Wechsellastfestigkeit versteht man das Vermögen eines Bauelementes, wie z. B. einer Sicherung oder eines
IGBT-Moduls, Temperaturschwankungen im Betrieb aufgrund wechselnder Strombelastung auszuhalten, ohne Ein-
bußen in der Lebensdauer zu erleiden.
Damit die in den SINAMICS-Leistungsteilen verwendeten IGBT-Module stets im Bereich ausreichender Wechsellast-
festigkeit betrieben werden, sind bei der Antriebsprojektierung einige Aspekte zu beachten. Im Hinblick auf die Wech-
sellastfestigkeit kritische Betriebszustände müssen entweder vermieden werden oder die Geräte müssen entspre-
chend überdimensioniert werden.
Im Folgenden werden die physikalischen Hintergründe erläutert und Dimensionierungsrichtlinien angegeben, welche
einen Betrieb der IGBT-Module und somit der Leistungsteile im Bereich ausreichender Wechsellastfestigkeit sicher-
stellen.
1.12.2

IGBT- Modul mit zyklisch wechselnder Strombelastung

Die Abbildung zeigt den internen Aufbau eines IGBT-Moduls sowie die Temperaturverläufe von IGBT-Chip, Boden-
platte und Kühlkörper bei zyklisch wechselnder Strombelastung des IGBT-Chips.
Aufbau eines IGBT- Moduls und Temperaturverläufe bei zyklisch wechselnder Strombelastung
Aufgrund des mechanischen Aufbaus des IGBT-Moduls aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien ergibt
sich ein relativ hoher Wärmewiderstand zwischen dem IGBT-Chip, in dem die Verlustwärme entsteht, und der Boden-
platte des IGBTs, über die die Verlustwärme in den Kühlkörper des Leistungsteils abfließt. Daher schwankt bei zyklisch
wechselnder Strombelastung die Temperatur des IGBT-Chips sehr stark, während die Temperaturen von Bodenplatte
und Kühlkörper relativ konstant bleiben.
Unter kritischen Betriebsbedingungen können sich Temperaturzyklen mit so hohem Temperaturhub ΔT
dass große thermische Spannungen im IGBT-Modul auftreten, welche die Lebensdauer des IGBTs nennenswert
reduzieren können. Denn die Anzahl der zulässigen Temperaturzyklen eines IGBTs ist begrenzt und nimmt mit
zunehmendem Temperaturhub ΔT
Temperaturhub ΔT
entsprechend ab.
Chip
Zu den kritischen Betriebsbedingungen mit starken zyklischen Temperaturschwankungen der IGBT-Chips zählen:
•
Periodische Lastspiele mit starken Laststromschwankungen und gleichzeitig kurzen Lastspieldauern
•
Betrieb mit niedrigen Ausgangsfrequenzen und gleichzeitig hohem Ausgangsstrom
SINAMICS Projektierungshandbuch – Februar 2020
164/562
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deutlich ab. Damit nimmt auch die Lebensdauer des IGBTs mit zunehmendem
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einstellen,
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