Zuverlässigkeit & Robustheit

Simulation, Design, Aufbau und Messung der Temperatur und Alterungserscheinungen, sowie des thermischen Verhaltens und der EMV von Leistungsmodulen

Offene studentische Arbeiten

Motivation

Die Echtzeitüberwachung elektrischer Parameter von leistungselektronischen Spannungswandlern erlaubt eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und ein Herauszögern des End-of-Lifes (EoL) der eingesetzten Leistungshalbleiter. Durch Überwachung der Parameter kann ein Eingriff in die Steuerung vorgenommen werden, um Arbeitspunkte mit hoher Belastung zu vermeiden. Um dieses Ziel zu erreichen ist in früheren Arbeiten eine Steuer- und Regelinfrastruktur aufgebaut worden, die auf mehreren Mikrocontrollern basiert.

Ziele

Für die Kommunikation werden Mikrocontroller von STMicroelectronics (STM32) und dSPACE (MicroLabBox) eingesetzt. Zur Anbindung des Mikrocontrollers innerhalb der bestehenden Rapid-Prototyping-Umgebung ist eine Schnittstelle für den Datenaustausch vom Mikrocontroller und den Empfang zu entwickeln.

Ihre Aufgaben
  • Programmierung und Debugging einer eigenen Kommunikationsschnittstelle in C
  • Implementierung eines flashbasierten Speichersystems (Micro-SD-Karte)
  • Bereitstellung von Beispieldaten (RNG) für den Datenaustausch
  • Validierung
  • Dokumentation und Erstellung eines Benutzerhandbuchs
Sonstiges

Form, Umfang und Vergütung der studentischen Hilfskraftstelle werden in Absprache mit den Betreuern geregelt.

Beginn: ab sofort

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

Conventional power modules consist of a multilayer structure joined together by solder material and use bond wires to connect to the top metallization of the chip (Fig. 1).

Solder joints and bond wires are the weakest links in conventional power modules and limit their reliability. Due to a mismatch of their coefficients of thermal expansion of the components of the module, a temperature induced stress develops, which under cyclic load produces fatigue of these components and ultimately failure of the power module

The goal of this study thesis is to study through simulation the effect of selected parameters on the thermomechanical response of a power module.

Main points (can be weighted on an individual basis)

  • Thermo-Mechanical Analysis
  • Finite Element Simulation

Prerequisites (depending on the actual topic)

  • Experience with Ansys Mechanical (or the willingness to learn it before the study thesis)

Beginn: ab sofort

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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Beispiel einer implementierten Erfassungsschaltung

Mit den Vorstößen in der Elektromobilität steigen auch die Anforderungen an die Leistungselektronik. Sie soll nicht nur effizient, sondern auch zuverlässig sein.Die Temperatur ist dabei ein wichtiger Aspekt, da ihre Veränderung direkten Einfluss auf das End-of-Life (EoL) des Geräts hat. Die Messung ist durch temperatursensitive elektrische Parameter (TSEPs) möglich, jedoch können diese Parameter während der Lebensdauer eines Leistungsbauelements ihren Wert ändern und die Temperaturerfassung beeinflussen.Im Rahmen dieser Arbeit wird die Temperaturerfassung durch TSEPs mit dem Fokus auf Stabilität über die Lebensdauer des Leistungsbauteils untersucht. Als Basis für die Untersuchungen wird der vorhandene Prüfstand dienen.

Zeitplan

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10 %)
  • Design und Simulation (25 %)
    • Implementierung der Temperaturerfassung
  • Inbetriebnahme & Messungen (50 %)
    • Inbetriebnahme des bestehenden Prüfstands
    • Auswertung der Genauigkeit der Temperaturerfassung (Wärmebildkamera)
  • Ausarbeitung und Vortrag (15 %)

Vorkenntnisse

  • Kenntnisse über OPV-basierte Schalt-ungen hilfreich
  • Kenntnisse in der Platinenentwicklung hilfreich

Beginn: ab sofort

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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Die Echtzeitüberwachung elektrischer Parameter von leistungselektronischen Spannungswandlern erlaubt eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und ein Herauszögern des End-of-Lifes (EoL) der eingesetzten Leistungshalbleiter. Durch Überwachung der Parameter kann ein Eingriff in die Steuerung vorgenommen werden, um Arbeitspunkte mit hoher Belastung zu vermeiden.

Um dem Ziel robuster Leistungselektronik näher zu kommen soll im Rahmen dieser Arbeit ein Sensor-Hub entwickelt und implementiert werden, der einen Datenaustausch mit vorhandenen Sensorknoten ermöglicht. Hierfür wird basierend auf einem leistungsfähigen Mikrocontroller die benötigte Hardware & Software entworfen.

Zeitplan

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10 %)
  • Design und Simulation (35 %)
    • Ausarbeiten eines Sensorknotens basierend auf einem STM32 Mikrocontroller
  • Inbetriebnahme und Messungen (40 %)
    • Wahlweise: Programmierung des Datenaustausches & -speicherung
    • Wahlweise: Messung & Validierung der Leistungsfähigkeit mittels Augendiagrammen o.ä.
  • Ausarbeitung und Vortrag (15 %)

Vorkenntnisse

  • Mikrocontrollerkenntnisse vorteilhaft
  • Kenntnisse in der Platinenentwicklung hilfreich

Beginn: ab sofort

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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Aufgabenstellung

Wie in vielen Technologiebereichen wird auch in der Leistungselektronik das Ziel ver-folgt, Bauteile kleiner, leichter und gleichzeitig leistungsfähiger zu gestalten. 3-dimensionale Schaltungsträger wie MID‘s (Molded Interconnect Devices) haben diesbezüglich viele Vorteile. Zum einen besitzen sie das Potenzial zur weiteren Systemminiaturisierung und Funktions-integration. Zum anderen kann die Teilevielfalt eines Systems reduziert und die Wärmeabfuhr individuell optimiert werden. Neben MID auf Thermoplastbasis sind es neuerdings auch duroplastische und keramische Substratmaterialien die entwickelt wurden und für die Leistungselektronik interessant sind. Mit kleineren Leistungsmodulen und höherer Leistungsdichte steigen allerdings gleichzeitig die Anforderungen an die Aufbau- & Verbindungstechnik (AVT). Ein wichtiges Kriterium für die Materialauswahl und die AVT ist die thermische Performance. Die Berechnung des transienten Temperaturverhaltens der Halbleiter für ein gegebenes Verlust-leistungsprofil kann bspw. durch Zth-Kurven ermittelt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen WBG-Leistungshalbleiter, auf neuartigen- räumlichen Substraten transient thermisch gemessen werden. Ein Teil der Arbeiten ist dabei die Konzeption, die Auslegung, die Konstruktion und der Aufbau von Probekörpern mit modernen AVT-Technologien wie Lötverfahren, Silber-sintern oder auch Semi-Sintern.

Die studentische Arbeit wird in Kooperation zwischen Hahn-Schickard und dem ILH betreut.

Einzeltätigkeiten

  • Aufbau von Probekörpern
  • Durchführung von Zth-Untersuchungen
  • Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse
  • Dokumentation der Arbeit

Beginn: ab sofort

Kontakt ILH: Dominik Koch

Kontakt Hahn-Schickard: Kai Werum

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In der Leistungselektronik spielt die Temperatur in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. So ist bspw. die Junction-Temperatur eines Transistors entscheidend für den sicheren Betrieb. Außerdem müssen Grenzwerte für Temperaturen im System, wie zum Beispiel die Kühlkörpertemperatur , eingehalten werden. Um diese Temperaturen zu messen, werden unterschiedliche Messmethoden eingesetzt, welche alle unterschiedliche Vor- und Nachteile besitzen.

In dieser Arbeit sollen mehrere Systeme qualitativ hinsichtlich Genauigkeit, Dynamik und Komplexität miteinander verglichen werden. Dazu sollen unterschiedliche Sensoren mittels SPI angesteuert werden und in unterschiedlichen Anwendungsfällen verglichen werden. Dazu soll eine Adapterplatine aufgebaut werden, an der unterschiedliche Sensoren angeschlossen und zentral ausgelesen werden können.

Zeitplan:

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10 %)
  • Design und Simulation der Adapterplatine (20 %)
  • Programmierung der SPI-Schnittstelle (20 %)
  • Messung und Evaluierung der einzelnen Sensoren (30 %)
  • Ausarbeitung und Vortrag (20 %)

Vorkenntnisse:

  • Layoutdesign in Altium
  • Eigenständiges Arbeiten
  • Praktische Erfahrungen im Labor

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

Kontakt: Dominik Koch

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Conventional power modules consist of a multilayer structure joined together by solder material and use bond wires to connect to the top metallization of the chip (Fig. 1).

Solder joints and bond wires are the weakest links in conventional power modules and limit their reliability. Due to a mismatch of their coefficients of thermal expansion of the components of the module, a temperature induced stress develops, which under cyclic load produces fatigue of these components and ultimately failure of the power module

The goal of this study thesis is to study through simulation the effect of selected parameters on the thermomechanical response of a power module.

Main points (can be weighted on an individual basis)

  • Thermo-Mechanical Analysis
  • Finite Element Simulation
  • Experimental Verification

Prerequisites (depending on the actual topic)

  • Experience with Ansys Mechanical (or the willingness to learn it before the study thesis)
  • Experience with microcontrollers (for experimental part)

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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Für den Betrieb von leistungselektronischen Schaltungen ist die Kenntnis der Temperatur der Bauelemente ein wichtiger Indikator um die Leistung des Kühlsystems zu regeln, zur Erkennung von unsymmetrischen Belastungsfällen und für die Detektierung von Fehlerfällen mit unterschiedlich lagen Zeitkonstanten.

In vielen herkömmlichen Leistungsmodulen werden Dioden oder resistive Temperatursensoren als diskrete Bauelemente neben den Leistungstransistoren positioniert, wodurch die Reaktionszeit der Sensoren auf eine Temperaturänderung in den Leistungshalbleitern verhältnismäßig groß ist (ms…s).

Die laterale Struktur von GaN Transistoren erlaubt die monolithische Integration von sensorischen und logischen Schaltungsteilen direkt neben dem Leistungstransistor, was bereits in ersten Versuchen zu einer deutlichen Reduzierung der Reaktionszeit bei Temperaturmessungen geführt hat.

In dieser Arbeit soll eine Messschaltung entwickelt werden, die die Reaktionszeit des monolithisch integrierten Temperatursensors weiter verkürzt und somit die generelle Fehlererkennung für die leistungselektronischen Komponenten verbessert wird.

Themengebiete:

  • Temperaturschutzschaltungen:
    • Arten von Schutzschaltungen
    • Simulationsmöglichkeiten der Temperaturmessung
    • Möglichkeiten der Messwertverarbeitung
  • Schaltungsdesign einer Auswerteschaltung
  • Evaluierung des entwickelten Konzeptes

Kontakt: Jan Hückelheim

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Dieses Bild zeigt Benjamin Schoch
M.Sc.

Benjamin Schoch

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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