Untersuchung der elektrischen Feldstärke und des Teilentladungsverhaltens an keramischen Schaltungsträgern

Hohe Sperrspannungen in Leistungsmodulen bedürfen einer verlässlichen elektrischen Isolation gegen den Kühlkörper. Diese sollte auch hohen Lebensdaueranforderungen genügen. Die fortwährende Erhöhung der Spannungsklasse und der Leistungsdichte in Traktions- und Energieübertragungsanwendungen erschwert die Erfüllung dieser Anforderungen. Um die gestiegenen Anforderungen auch in Zukunft erfüllen zu können, stellt die Verwendung von keramischen Schaltungsträgern eine Schlüsseltechnologie im Hinblick auf die elektrische Isolierung in Leistungsmodulen dar. Keramische Schaltungsträger besitzen jedoch kritische Bereiche in Bezug auf die elektrische Feldstärke und somit die Teilentladung, sowie den elektrischen Durchbruch an den Metallisierungskanten auf der Keramik. Auch kann eine andauernde Degr adation der Isolierstoffe durch Teilentladung irreversible Schädigungen verursachen. Die Auswirkungen von Geometrie, Materialien und Anordnung auf die elektrische Feldstärke wurden in dieser Arbeit mit Hilfe von Simulationen untersucht, und keramische Schaltungsträger wurden entwickelt. Die Teilentladungseinsetzspannung wurde in Abhängigkeit von geometrischen und materialbedingten Variationen sowie Veränderungen der Anordnung gemessen und später mit den Ergebnissen aus den Simulationen korreliert. In dieser Arbeit wurde eine neue rechengitterunabhängige Evaluierungsprozedur entwickelt, die im Vergleich mit bisherigen Verfahren zu numerisch robusten Simulationsergebnissen führt. Damit ist ein stabiler Vergleich von gemessenen und simulierten Feldstärken in Keramiksubstraten gewährleistet. Die Simulationsergebnisse wurden anhand von phasenaufgelösten Teilentladungsmessungen von speziell angefertigten Keramiksubstraten verifiziert. Eine Studie dieser Dissertation ergab unter anderem, dass idealerweise kein Versatz zwischen oberer und unterer Keramikmetallisierung bestehen sollte. Dies führt zu einer Erhöhung der Teilentladungseinsetzspannung von bis zu 35 % im Vergleich zu üblichen Abmessungen. Diese Anpassung des Layouts verursacht keine zusätzlichen Kosten. Weiter wurde festgestellt, dass die Vergrößerung der Keramikdicke eine nichtlineare Erhöhung der Teilentladungseinsetzspannung zur Folge hat. Simulationen sowie auch Messungen zeigen, dass die Dielektrizitätskonstante des Vergussmaterials die Teilentladungseinsetzspannung stark beeinflusst. Zudem kann die Verwendung ein er geometrischen Feldsteuerung mittels Feldplatte die Teilentladungseinsetzspannung um 15 % erhöhen. Auch ein Stapeln von keramischen Substraten führt zu höheren Teilentladungseinsetzspannungen, wodurch eine Reduzierung der Keramikdicke auf weniger als 70 % ermöglicht wird. Die Simulations- und Messergebnisse wurden evaluiert, und eine Korrelation der berechneten Feldstärken und der Teilentladungseinsetzspannung wurde durchgeführt, welche eine lineare Abhängigkeit aufzeigt. Die in dieser Arbeit entwickelte simulationsgestützte statistische Auswertung erlaubt eine verlässliche Vorhersage der Teilentladungseinsetzspannung. Zusätzlich wurde ein Interpolationsprogramm entwickelt, das eine simulationsunabhängige Auswertung und eine nachträgliche Interpolation eines zuvor berechneten mehrdimens ionalen Parametersatzes ermöglicht und als Zielgröße die elektrische Feldstärke ausgibt.