Energiebeschaffung & -erzeugung Lang lebe Leistungselektronik!

Ein Blick auf den Beginn der Erzeugung erneuerbarer Energien reicht bis ins Jahr 1983 zurück, in dem mit Growian die erste Windkraftanlage im Megawattbereich in Betrieb ging. In den vergangenen 30 Jahren hat sich trotz der steigenden Beiträge durch Wind- und Solarenergie das Netz an sich kaum verändert.

Der Übergang vom heutigen Netz mit zentralen Kraftwerken hin zu einem flexiblen, kleinmaschigen Versorgungssystem aus dezentralen Einheiten ist jedoch nicht aufzuhalten. War das Netz bisher eher eine Domäne maschinenbautech­nischer Anlagen unter zentraler Verwaltung, verlagert sich dies in einem Smart Grid beträchtlich. Ein solches „System of Systems“ ist eher ein auf Kommuni­kation basierendes mechatronisches Gebilde, dessen Herz die Leistungselektro­nik ist. Ihre Integration in das öffentliche Netz darf allerdings nicht zu einer Verschlechterung seiner Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit führen, was eine weitere Herausforderung für die Entwickler ist.

Beispiel Windkraft

Die Große Windkraftanlage „Growian“, die RWE von 1983 bis 1987 betrieb, war kein wirtschaftlicher Erfolg, brachte aber grundlegende Erkenntnisse für ihre Nachfolger. Der Betrieb des Rotors mit variabler Umlaufgeschwindigkeit war nur möglich, weil die vom Generator erzeugte Energie über einen Umformersatz in das Netz gelangte. Die Energiewandlung im Sinne der An­passung von Frequenz, Amplitude und Phasenlage erfolgte über die Einflussnahme auf die Erregung des Umformers und entsprach damit den Prinzipien eines Großkraftwerkes. Für eine auf Halbleitern basierte Lösung fehlten damals die notwendigen Komponenten.

Diese Aufgabe übernehmen heute leistungselektronische Einheiten – die Umrichter – auf Basis moderner Halbleiterschalter. Das Bild auf dieser Seite oben links zeigt einen Modstack HD, eine Wechselrichter-Baugruppe, die Durchsatzleistungen bis zu 2 MW handhaben kann. Sind Leistungen über
2 MW erforderlich, bieten leistungselektronische Konzepte den Vorteil der Skalierbarkeit. Durch Parallelschaltung von Baugruppen lassen sich Systeme bis zu
6 MW verwirklichen.

Anders als herkömmliche Kraftwerke arbeiten Windkraftanlagen weder kontinuierlich, noch mit stets konstanter Ausgangsleistung. Schwankungen von 100 Prozent innerhalb kurzer Zeit sind keine Seltenheit, stellen aber für den Betrieb der Leistungselektronik einen erheblichen Stressfaktor dar. Leistungselektronik unterliegt trotz des Wegfalls mechanisch beweglicher Teile einem thermo-mechanischen Verschleiß.

Die wichtigsten zu berücksichtigen Parameter sind hierbei die absolute Temperatur sowie der Temperaturhub der Leistungselektronik. Beide Werte lassen sich aus einem Lastprofil bestimmen, das sich aus dem Aufstellungsort der Anlage ergibt. Aus dem Temperaturprofil und den vom Hersteller der Leistungselektronik bereitgestellten Daten zur Lastwechselfestigkeit lässt sich dann eine Lebensdauer bestimmen.

Die Herausforderung liegt dabei in der hohen Erwartung an die Nutzungsdauer und Verfügbarkeit der Anlage. Eine Einsatzdauer von 25 Jahren und 2000 Betriebsstunden unter Voll-Last pro Jahr führt zu einer Lebensdauerforderung von 50.000 Betriebsstunden. Zum Vergleich: Ein Pkw fährt im europäischen Durchschnitt etwas weniger als eine Stunde am Tag oder 350 Stunden im Jahr. Bei einer zehnjährigen Nutzung kommen weniger als 4000 Betriebsstunden zusammen, die wenigsten davon unter Voll-Last.

Fehlerszenarien

Anders als vom mechanischen Antriebsstrang im Pkw wird von der Leistungselektronik allerdings der störungs- und insbesondere wartungsfreie Einsatz erwartet. Zwei dominante Fehlerursachen gilt es dabei zu beherrschen, das Power und das Thermal Cycling.

Power Cycling: Da sich Materialien unter Wärme ausdehnen, treten auch in Halbleitern thermo-mechanische Belastungen auf. Die vereinfachende Darstellung in der Grafik oben rechts zeigt schematisch den aus Schichten bestehenden Aufbau eines Leistungshalbleiters. Power Cycling entsteht, wenn der Aufbau pulsweise mit Leistung beaufschlagt wird. Ist die Dauer der Pulse gegenüber den thermischen Zeitkonstanten des Aufbaus klein, so erwärmt sich hauptsächlich der Chip, zusammen mit dem Bonddraht. Die Länge des Drahtes ändert sich durch den thermischen Einfluss, es entsteht eine Mikrobewegung, die wiederum Kräfte auf die Verbindungsstellen ausübt.

Abhängig von der Anzahl der Temperaturhübe und deren Intensität versagt die Verbindungsstelle nach einer prognostizierbaren Dauer – das Ergebnis ist ihre Zerstörung. Das Fehlen des hier vormals angebundenen Drahtes erhöht die Stromdichte und damit die Temperatur in den verbleibenden Verbindungen, der Prozess beschleunigt sich.

Power Cycling als Betriebsverhalten tritt auf, wenn sich die von einer Anlage abgegebene Leistung kurzfristig verändert. In Solarwechselrichtern kann eine vorübergehende Verschattung durch Wolken zu diesem Verhalten führen. Auch im umgekehrten Fall einer Bewölkungslücke mit kurzfristig erhöhter Strahlungsintensität tritt dieser Betrieb auf. Da die Erwärmung innerhalb des Moduls die ausschlaggebende Größe ist, bleibt Power Cycling von Verbesserungen an der Kühlung nahezu unbeeinflusst.

Thermal Cycling: Ist die Dauer der thermischen Beanspruchung lang genug, den gesamten Aufbau zu erwärmen, entsteht eine unterschiedliche Ausdehnung von Bodenplatte und Trägermaterial.

Der Fall tritt auf, wenn eine kalte Anlage in Betrieb genommen und über einen Zeitraum von einigen Minuten auf Betriebstemperatur erwärmt wird. Ein Solarwechselrichter, der in der Nacht auf Raumtemperatur abgekühlt ist und am sonnigen Morgen den Betrieb aufnimmt, durchläuft diesen Betriebs­zustand des Erwärmens ebenso wie eine Windkraftanlage, die aus dem Stand heraus startet.

Am Halbleiter entstehen durch den Temperaturhub und die unterschiedlichen Ausdehnungsko­effizienten der beteiligten Materialien mechanische Spannungen in der Systemlötung. Die Delamination der Lotschicht, die sich als Riss im Lot darstellt, ist die Folge.

Schreitet die Rissbildung voran, wird der thermische Transfer vom Chip zum Kühlkörper gestört. Die in Folge höhere Chiptemperatur führt zu einer Vergrößerung des Temperaturhubs, was eine positive Rückkopplung darstellt – der Delaminationsprozess wird beschleunigt.

Der Effekt lässt sich mit Hilfe der Ultraschallmikroskopie im Rahmen von Thermal-Cycling-Tests im Labor gut beobachten. Thermal Cycling bezieht sich direkt auf den Temperaturhub an der Bodenplatte, der Effekt lässt sich mit einer Verbesserung der Kühlung beeinflussen.

Verbesserungen am Leistungshalbleiter

Halbleiterhersteller arbeiten mit Hochdruck daran, die Lebensdauer ihrer Komponenten weiter zu verbessern. Bei Infineon verbirgt sich hinter der Bezeichnung .XT die Summe aus verbesserten Verbindungstechniken in allen Bereichen des Halbleiters. Die am deutlichsten sichtbare Veränderung sind Kupferoberflächen am Chip, die die Nutzung von Kupfer als Bonddrahtmaterial gestatten (siehe Abbildung oben auf dieser Seite). Die konventionelle Chiplötung auf Basis von Weichlot wird ersetzt und die Systemlötung in eine neue, hoch zuverlässige Lötung überführt.

Gegenüber einem heute üblichen Modul erhöht sich die Power-Cycling-Belastbarkeit des neuen Systems um den Faktor 10. Es ist zu erwarten, dass in einer Applikation dieser Vorteil teilweise durch die Erhöhung der Ausgangsleistung kompensiert wird. Dies stellt einen Trade-off dar, den der jeweilige Designer in Anspruch nehmen kann.