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 Energieübertragungsan-wendungen erschwert die Erfüllung dieser Anforderungen. Um die gestiegenen Anforderungen auch in Zukunft erfüllen zu können, stellt die Verwendung von keramischen Schaltungsträgern eine Schlüs-seltechnologie im Hinblick auf die elektrische Isolierung in Leistungsmodulen dar. Keramische Schaltungsträger besitzen jedoch kritische Bereiche in Bezug auf die elektrische Feld-stärke und somit die Teilentladung, sowie den elektrischen Durchbruch an den Metallisierungskanten auf der Keramik. Auch kann eine andauernde Degradation der Isolierstoffe durch Teilentladung irre-versible 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 Abhän-gigkeit 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 ande-rem, 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. Wei-ter wurde festgestellt, dass die Vergrößerung der Keramikdicke eine nichtlineare Erhöhung der Tei-lentladungseinsetzspannung zur Folge hat. Simulationen sowie auch Messungen zeigen, dass die Dielektrizitätskonstante des Vergussmaterials die Teilentladungseinsetzspannung stark beeinflusst. Zudem kann die Verwendung einer geometrischen Feldsteuerung mittels Feldplatte die Teilentla-dungseinsetzspannung 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 Feld-stärken 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 Interpolationspro-gramm entwickelt, das eine simulationsunabhängige Auswertung und eine nachträgliche Interpolation eines zuvor berechneten mehrdimensionalen Parametersatzes ermöglicht und als Zielgröße die elekt-rische Feldstärke ausgibt.High blocking voltages in power modules require a reliable electrical insulation against the heat sink. This insulation should also meet high lifetime requirements. The continuous increase of the voltage class and the power density in traction and power transmission applications drastically aggravates compliance with these requirements. To meet the elevated requirements in the future, the use of ceramic circuit carriers is a key technology for the electrical insulation in power modules. Unfortunately, ceramic circuit carriers exhibit critical areas in terms of the electric field strengths and thus the partial discharge, as well as the electrical breakdown at the metallization edges on the ceram-ic. Moreover, a sustained degradation of the insulating materials by partial discharge can cause irre-versible damage. The impact of the geometry, materials, and the arrangement on the electric field strength were investigated in this work. For that purpose, a simulation strategy and ceramic circuit carriers were developed. The partial discharge inception voltage was measured as a function of geo-metrical and material-related variations, and, additionally, changes of the arrangement. The so-obtained values were then correlated with the simulated results. During this work, a novel computational grid-independent evaluation procedure was introduced. By contrast to related work, this guarantees numerical robust and hence comparable results of the simu-lations for the electric field strengths in ceramic substrates. Simulation results were validated through phase-resolved partial discharge measurements of custom-tailored ceramic substrates. One study conducted in the scope of this work revealed that ideally there should be no offset between the upper and the lower ceramic metallization. This leads to an increase in the partial discharge inception voltage of up to 35 % compared to conventional layouts. Such an adjustment does not incur any additional costs. Furthermore, it has been shown that increasing the thickness of the ceramic leads to a non-linear increase of the partial discharge inception voltage. Both simulations and measurements show that the dielectric constant of the potting material strongly influences the partial discharge inception voltage. In addition, the use of geometric field control by a field plate can increase the partial dis-charge inception voltage by 15 %. Stacking ceramic substrates also results in higher partial discharge inception voltages, thus permitting a reduction of the ceramic thickness to less than 70 %. The simulation and measurement results were evaluated and a correlation of the calculated field strengths and the partial discharge inception voltage was performed, showing a strongly linear de-pendency. In this work, a novel simulation-based statistical evaluation routine was developed. Its pre-dictive power was widely demonstrated. In addition, an interpolation program was developed that enables a simulation-independent evaluation and a subsequent interpolation of a previously computed multidimensional parameter set. As an output, it yields the electric field strength