Echtzeit-Monitoring von SiC-Leistungsmodulen mittels spektraler Elektrolumineszenz-Sensorik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rik W. De Doncker, seit 9/2020
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445288041

Der zuverlässige Betrieb von leistungselektronischen Wandlern ist in vielen Anwendungen von großer Bedeutung. Dies gilt insbesondere für den elektrischen Antriebsstrang von autonom fahrenden Fahrzeugen, bei denen eine Überwachung und Steuerung durch einen menschlichen Fahrer nicht mehr gegeben ist. Eine durch thermische Überlastung verursachte Fehlfunktion des Umrichters, ein unerkannter Kurzschluss oder übermäßige Temperaturschwankungen können zu einem Totalausfall des Fahrzeugs und zu lebensbedrohlichen Unfällen führen. Aus diesem Grund sind Echtzeit-Monitoringsystem, die die Betriebsbelastung überwachen und den Alterungszustand von Stromrichtern diagnostizieren, Schlüsselkomponenten in zukünftigen Antriebssträngen. Insbesondere für Wandler auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) Halbleitern ist die Erforschung von neuartigen Echtzeit-Monitoringsystem von enormer Bedeutung. Diese Wandler erreichen eine höhere Leistungsdichte und sind die bevorzugte Wahl für sehr kompakte Antriebssysteme in Elektrofahrzeugen. Die Kompaktheit der Halbleiter und die damit geringere Wärmekapazität machen sie jedoch anfälliger für Überlastungen.Dieses Forschungsvorhaben zielt darauf ab, präzise und minimal-invasive Echtzeit-Monitoringtechnologien für SiC-Leistungsmodule zu entwickeln, welche das Elektrolumineszenzspektrum der SiC-Bodydiode zur Temperatur- und Strommessung der Bauelemente nutzen. Nach einer Charakterisierung des Elektrolumineszenzspektrums der SiC- Bodydiode für einen weiten Betriebsbereich, sollen verschiedene Designoptionen für Sensoren entwickelt und experimentell ausgewertet werden, welche die optischen Spektralinformationen in Echtzeit extrahieren. Eine wichtige Forschungsfrage in diesem Zusammenhang ist, wie der Strom und die Sperrschichttemperatur des SiC MOSFETs unabhängig voneinander erfasst werden können. Zu diesem Zweck werden Systemidentifizierungstechniken, Beobachter und Methoden der künstlichen Intelligenz zu neuen multiphysikalischen Monitoringverfahren kombiniert, die beide Variablen mit hoher Bandbreite, geringem Rauschen und der erforderlichen Präzision extrahieren. Darauf aufbauend werden im Zuge dieses Vorhabens Methoden zur leistungsmodulintegrierten Elektrolumineszenz-Sensorik auf Basis von Glasfasern entwickelt und erforscht, um ein Multi-Chip-Leistungsmodul mit minimalem Erfassungsaufwand zu überwachen.Die angestrebte Forschung soll zu einer leistungsfähigen Monitoringtechnologie für SiC-Leistungsmodule führen. Diese ermöglicht eine präzise elektrothermische Überwachung zukünftiger Leistungselektronik mit hoher Bandbreite, um SiC-Leistungsmodule vor Ausfällen durch übermäßige thermische Belastung oder Überströme zu schützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Christoph van der Broeck, bis 9/2020