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Transiente elektrisch-thermisch-mechanische FEM-Simulationen zur Zuverlassigkeitsbewertung von Leistungselektronikmodulen in Leiterplattentechnik fur Automotive-Anwendungen

机译:Transiente elektrisch-thermisch-mechanische FEM-Simulationen zur Zuverlassigkeitsbewertung von Leistungselektronikmodulen in Leiterplattentechnik fur Automotive-Anwendungen

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摘要

In der heutigen Automobilindustrie werden zunehmend mechanische Funktionen elektronisch gesteuert. Dieser Trend wird einerseits durch die Entwicklungen im Bereich der Elektromobilitat verstarkt und andererseits mit der immer starker zunehmenden Entwicklung kompakter, leistungsfahiger und zugleich zuverlassiger Automotive-Elektronik im Fahrzeug begleitet.Jedoch stellt der Einsatz fur hohere elektrische Leistungsklassen eine Herausforderung bei der Entwicklung zuverlassiger elektronischer Baugruppen dar. Durch die Verarbeitung und Ubertragung hoher Strome, kommt es zur betrachtlichen lokalen Erwarmung der Leistungsbauelemente. Schliesslich ist die resultierende zeitliche und ortliche Entwicklung von Temperaturgradienten massgebend fur die Zuverlassigkeit der Aufbau- und Verbindungstechnik eines Elektronikmoduls im Betrieb. In der vorliegenden Arbeit wurde eine FE-Simulationsmethodik mit gekoppelten elektrisch-thermisch-mechanischen Physikdomanen mit Hilfe der FEM-Software von ANSYS 1 erarbeitet und durch experimentelle Untersuchungen validiert. Das Ziel ist es, die Zeit zum Ausfallsbeginn in einem Hochleistungsmoduls im beschleunigten Labortest und spater im Betrieb berechnen zu konnen. Dafur werden Geometrie- und Materialmodellierungsansatze bis hin zur Abbildung von elektrischer und thermischer Randbedingungen eingesetzt. Ein wesentlicher Bestandteil der FEM-Simulationsmethodik beinhaltet einen Algorithmus zur Berechnung der zeit- und temperaturabhangigen Verlustleistung des verwendeten Power-MOSFETs. Der Vergleich zwischen der berechneten transienten thermischen Entwicklung und der experimentell ermittelten Temperaturentwicklung im Power Cycling Test zeigt eine sehr gute Ubereinstimmung. Weiterhin, ermoglicht die hier erarbeitete Simulationsmethodik die Berechnung thermomechanischer Eigenschaften reeller Leistungsmodule unter der Angabe von spezifischen elektrischen Ansteuerungsprofilen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis fur eine erweiterte FEM-unterstutzte pro-aktive Lebensdauervorhersage von Hochleistungselektronikmodulen der Automobilelektronik.

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