Simulationsbasierte Zuverlässigkeitsanalyse in der modernen Leistungselektronik

Die zuverlässige Funktion leistungselektronischer Systeme über einen langen Zeitraum bei vertretbaren Kosten sicherzustellen wird durch den zunehmenden Einsatz dieser Systeme in sicherheitsrelevanten Massenprodukten, wie zum Beispiel Kraftfahrzeugen, Zügen oder Flugzeugen, immer wichtiger. Bereits heute werden durch verschiedene Risikoanalyseverfahren und Qualitätsmanagementmethoden die Zuverlässigkeiten der einzelnen mechanischen und elektrischen Systeme abgeschätzt und bewertet. Dabei wird meistens in größeren Teams nach vorgegebenen Standards und Erfahrungswerten aus vorhergehenden Produkten auf die Zuverlässigkeit des neuen Systems geschlossen. Diese Methode ist sehr zeit- und kostenintensiv und kann erst dann ansetzen, wenn das Produkt bereits relativ weit ausgereift ist. Im Fachgebiet der Leistungselektronik ist es aber erstrebenswert, schon in frühen Entwicklungsstadien - mit Hilfe von Simulationen - eine verlässliche Zuverlässigkeitsprognose erstellen zu können und dabei vorhandene Simulationsdaten über das elektrische Verhalten der Systeme zu verwenden. Dieses Verfahren würde den Entwickler in die Lage versetzen, bereits sehr früh eine vorher spezifizierte Zuverlässigkeit in das System hineinzuentwickeln und dabei auch komplexe elektrische und thermische Zusammenhänge mit zu berücksichtigen. In dieser Arbeit werden eine neue Methode und ein Werkzeug beschrieben und analysiert, die es ermöglichen, durch eine Kombination von elektrischen Simulationen und bekannten Komponentenausfallraten, eine vergleichende Zuverlässigkeitsprognose zu erstellen. Dabei wird besonderer Wert darauf gelegt, dass auch gegenseitige Beeinflussungen der Komponenten und Systeme mit berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck wurden neue Simulationsmodelle entwickelt, die die Simulation und Berücksichtigung der Temperatur und der Temperaturzyklen auf die Zuverlässigkeit ermöglichen. Bei der Modellierung wurde ein Ansatz gewählt, der es erlaubt, auch komplexe Systeme in vertretbarer Zeit zu simulieren und miteinander zu vergleichen. Die neue Methode zeichnet sich durch eine klare Struktur und eine leichte Erweiterbarkeit aus. Zudem wurden ebenfalls verschiedene Ausfallratenkataloge analysiert und auf ihre Tauglichkeit für die im Fokus dieser Arbeit stehende Aufgabe bewertet. Den Abschluss dieser Arbeit bildet ein Vergleich der Zuverlässigkeit verschiedener DC/DC- Wandler-Topologien unter spezifischen Betriebsbedingungen, simuliert mit Hilfe der in dieser Arbeit erstellten Methode.