Abstract
(Deutsch)
|
Gegenstand des Projekts war die Zuverlässigkeit von IGBT Modulen für Bahnanwendungen. Die wichtigsten Ausfallmechanismen wurden identifiziert und untersucht. Darauf basierend wurden einheitliche Testmethoden vorgeschlagen und Lebensdauerprognosen entwickelt.
Im Task 2b hat ABB Semiconductors Muster von Modulen mit verschiedenen Loten an den Partner INRETS in Paris geschickt. Die Module wurden zusammen mit Modulen anderer Partner (Siemens, Mitel) getestet und verglichen. Es zeigte sich, dass sich die Module der verschiedenen Partner sehr ähnlich verhalten.
ABB Semiconductors war Subtaskleader im Task 2c: Ausfälle hervorgerufen durch kosmische Strahlung. Das Ziel war das Herleiten von Designregeln, die den Design von robusten Devices erlauben und eines Computerprogramms, das die Prognose von Ausfallraten bei vorgegebenen Betriebsbedingungen gestattet.
Für Thyristoren, GTO's und Dioden wurde das Ziel rasch erreicht. Für IGBT's hat sich die Situation als viel komplizierter erwiesen als erwartet. Trotzdem haben wir die gesetzten Meilensteine und Ziele erreicht, allerdings unter Einsatz von wesentlich grösseren Mitteln als geplant. Ausserhalb des Projektplans haben wir Versuche an einer Neutronenquelle in Los Alamos durchgeführt und eine Testanlage auf dem Jungfraujoch installiert. Der Test auf dem Jungfraujoch bringt einen Beschleunigungsfaktor für die Ausfälle von etwa einem Faktor 10, der Test in Los Alamos von etwa 7 Grössenordnungen (allerdings nur für Neutronen). Die Resultate zeigen, dass IGBT's etwa 1-2 Grössenordnungen empfindlicher sind als gleich dimensionierte GTO's.
Im Jahr 1998 wurde ein neuer Ausfallsmechanismus entdeckt: Bei kathodenseitig gelöteten IGBT Chips können Alpha Teilchen, herrührend vom Lot, Ausfälle induzieren. Da die Ausfälle nur in der Nähe der maximalen Blockierspannung auftreten, sind sie für die Praxis kaum relevant. Sie können aber Testresultate verfälschen und damit zu falschen Extrapolationsgestzen führen.
Durch Ausnutzung von Resultaten der Physik von Halbleiter-Teilchendetektoren konnten wir ein sehr einfaches Modell für die Ausfälle herleiten, das sowohl Ausfälle durch kosmische Neutronen, wie auch Ausfälle induziert durch Alpha Teilchen beschreibt. Das Model enthält drei Parameter. Der erste ist die Kollisionsrate von kosmischen Neutronen mit Siliziumkernen. Der Wert (10-3 sec-1cm-3) ist aus der Detektorphysik bekannt. Der zweite Parameter ist die Feldstärke an der p-n Junction des Bauelements bei der das Ionisationsintegral gleich eins wird. Diese Feldstärke ist durch einfache Gleichungen berechenbar. Der dritte Parameter beschreibt die Feldüberhöhung im, durch den Si Rückstosskern erzeugten Plasma im Bauelement. Er ist sehr schwierig zu berechnen und wird ans Experiment angepasst. In der Summe können wir mit nur einem Anpassparameter eine universell gültige Gleichung für die Ausfallraten induziert durch schwere Teilchen angeben. Das Modell beschreibt ebenfalls die starke Temperaturabhängigkeit der Ausfallsrate korrekt.
Im Task 6, Reliability Indicators, ist das Ziel, Indikatoren für die Restlebensdauer zu finden. Plangemäss sind unsere Aktivitäten bereits Ende 1996 abgeschlossen worden.
Im Task 8, Sicherheit, ist ABB Semiconductors Taskleader. Es wurden Module in Bezug auf Explosion bei Kurzschluss getestet und Designregeln für sichere Module hergeleitet.
In modernen IGBT Schaltungen sind keine Induktivitäten vorhanden, die den Stromanstieg begrenzen. Im Fall eines Kurzschlusses ist der IGBT Chip über eine parasitäre Induktivität von 40 - 150 nHy mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Die im Kondensator gespeicherte Energie von bis zu 100 kJ wird im Falle eines Kurzschlusses im Modul in wenigen Mikrosekunden mit Spitzenströmen von mehreren hundert kA entladen. In klassischen Modulen führt das zu einer Explosion des Moduls mit potentiellen Sach und Personenschäden.
Die Folgeschäden lassen sich auf mehrere Arten begrenzen. Ersten durch konstruktive Massnahmen am Modul selbst. Ein Modul soll so konstruert werden, dass ein definierter Pfad für die Explosion gegeben ist und dass sich in dem Pfad keine schweren Bauteile befinden. Leider sind solche Konstruktionen aufwendiger und teurer als die heute marktüblichen Designs, bei denen die massiven metallischen Anschlüsse als Projektile ausgeschleudert werden. ABB hat eine Linie von Modulen, die nach Kriterien der Explosionssicherheit entwickelt wurden.
ABB hat ebenfalls ein Modul entwickelt, das anstelle der üblichen Drahtbondierung die aus der Thyristortechnik bekannte Druckkontaktierung einsetzt. Solche Module sind weitgehend explosionsfest.
Durch Sicherungen lassen sich Explosionen verhindern, respektive die Folgen begrenzen. Sicherungen führen aber zu sehr hohen Verlusten, sind unzuverlässig und erhöhen die Streuinduktivität der Schaltung. Sicherungen stehen deshalb in der Praxis nicht im Voredrgrund.
ABB Semiconductors besitzt eine Patentanmeldung mit dem Inhalt die Folgeschäden einer Explosion durch den Einsatz eines elastischen und energieabsorbierenden Gewebes (ähnlich wie in kugelsicheren Westen) zu minimieren.
|
