Lifetime estimation of inverter’s power semiconductor modules in electric and hybrid powertrains

Abstract

Constantly varying loads in electric powertrains induce thermal stress to its power electronic components. Especially, the power modules and semiconductor components within experience frequent thermal cycles during operation which causes them to degrade over time and eventually fail completely. It is useful to be able to determine the amount of temperature cycling a module can handle and estimate its lifetime.

In this thesis, a calculation tool for the lifetime estimation of inverter’s power modules is implemented. Power loss model and thermal model were used to determine temperatures for the power module’s individual semiconductor components as a function of time. The produced temperature profile was used to calculate a lifetime expectancy for the module by using cycle counting and an analytical lifetime model.

The functionality of the simulation model was verified against a more accurate, and already verified simulator. Also, a proof-of-concept case was carried out to showcase the analysis that the tool can generate based on a load profile of an inverter driven electric motor. The verification demonstrated the tool to be able to provide fairly accurate results for the power module temperatures. Also, rainflow cycle counting was successfully implemented and the tool was able to provide a lifetime estimation. Further development for the tool is needed to make it easier to use for different power module types.

Vaihtelevat kuormat sähköisissä voimansiirtojärjestelmissä rasittavat sen osana olevia tehoelektroniikkakomponentteja. Erityisesti tehomoduulien puolijohdekomponentit kokevat suuria lämpötilavaihteluita aiheuttaen lämpöväsymistä, joka johtaa lopulta moduulin hajoamiseen. On siis hyödyllistä pystyä määrittämään tehomoduulin kyky kestää lämpösyklausta ja arvioida sen perusteella odotettavaa elinikää.

Tässä työssä toteutettiin laskentatyökalu, jolla voidaan arvioida vaihtosuuntaajan tehomoduulin elinikää. Moduulin komponenteille laskettiin lämpökäyrät käyttäen häviö- ja lämpömalleja. Lisäksi hyödyntäen lämpösyklien laskenta-algoritmia, sekä analyyttistä elinikämallia, voitiin moduulille antaa arvio odotettavasta eliniästä.

Simulointimallien toiminta verifioitiin vertailemalla tuloksia tarkan, jo verifioidun, simulaattorin kanssa. Lisäksi työkalulla laskettiin esimerkkitapaus, jossa analysoitiin sähkömoottoria ajavan invertterin tehomoduulin lämpösyklauksen kestoa perustuen moottorin kuormaprofiiliin. Laskennan tulokset osoittivat mallien antavan hyvän arvion eri komponenttien lämpötiloista. Lisäksi lämpösyklien laskenta-algoritmi integroitiin onnistuneesti osaksi kokonaisuutta ja moduulille voitiin antaa elinikäarvio. Laskentatyökalu vaatii lisäkehitystä, jotta sen toimintaa voisi laajentaa erilaisille tehomoduulityypeille.