Nicht jeder Ausfall eines Wechselrichters kommt schleichend. Eine aktuelle FMEA-Studie zu PV-Wechselrichtern sieht überspannungsbedingte Kurzschlüsse von Varistoren, Alterung von Kondensatoren und Lüfterausfälle als dominierende Risiken. Daneben werden Relais und Leistungshalbleiter als Risikofaktoren genannt [1]. Manches davon schlägt plötzlich zu. Ein wichtiger Teil der Alterung kündigt sich jedoch über Monate an. Nur hört meistens niemand zu.

Ein gut messbares Signal ist die thermische Veränderung: Der Wärmewiderstand zwischen Halbleiter und Umgebung steigt langsam an, sodass das Bauteil bei gleicher Last wärmer wird. Irgendwann greift dann das Derating oder die Abschaltung. Der Kunde merkt es an sinkendem Ertrag, der Installateur an einem Serviceeinsatz und der Distributor an einer Garantieanfrage.

Dabei lässt sich diese Entwicklung mit Sensoren messen, die in vielen Geräten ohnehin verbaut sind.

Die Wärmekette und ihre schwachen Glieder

Leistungshalbleiter gehören zu den kritischsten Bauteilen in Stromrichtern. In einer vielzitierten Branchenumfrage stuften 31 Prozent der Befragten sie als die anfälligste Komponente ein, noch vor den Kondensatoren [2].

Ihre Verlustleistung muss durch eine Kette von Schichten nach außen abgeleitet werden: Chip, Die-Attach, Substrat, Bodenplatte bzw. Gehäuse, thermisches Interface, Kühlkörper und Umgebungsluft. Jede Schicht hat ihren Anteil am gesamten Wärmewiderstand Rth.

Zwei Glieder altern besonders schnell:

Das thermische Interface: Wärmeleitpaste wird durch Temperaturzyklen mechanisch bearbeitet. Weil sich Bauteil und Kühlkörper unterschiedlich ausdehnen, entstehen bei jedem Lastwechsel Scher- und Schälspannungen an der Grenzfläche. Die Paste wird dabei Zyklus für Zyklus aus der Kontaktfläche herausgedrückt (Pump-Out). Bei hohen Temperaturen kann sich zusätzlich der Füllstoff von der Trägermatrix trennen (Dry-Out) [3]. Für Leistungsmodule ist der Pump-Out-Effekt als eigenständiger Mechanismus der thermischen Langzeitalterung beschrieben [4].

Die Lotschichten

Auch Die-Attach und Substratlot ermüden unter Temperaturwechseln. Risse und Delaminationen verringern die wirksame Wärmeleitfläche.

Ein Wechselrichter im Hausspeicher erlebt solche Zyklen täglich: Sonnenaufgang, Ladeende, abendliche Entladung. Über einen Zeitraum von 20 Jahren sind das rund 7.300 große Tageszyklen, dazu ein Vielfaches an kleineren Zyklen durch Wolkenzug und Laständerungen.

Was die Automobilindustrie als Lebensende ansetzt

Im Automotive-Bereich gibt es dafür eine etablierte Orientierung. Die ECPE-Richtlinie AQG 324 nennt für Lastwechseltests zwei Ausfallkriterien: einen Anstieg der Durchlassspannung um 5 Prozent oder des Wärmewiderstands um 20 Prozent [5]. Genau dieses 20-Prozent-Kriterium wird auch in Lebensdauerstudien an dreiphasigen MOSFET-Wechselrichtern verwendet, um die Ermüdung des Die-Attach zu bewerten [6].

Dabei handelt es sich um Prüfstandsgrößen und nicht um Feldvorgaben. In der Fachwelt wird durchaus diskutiert, wie konsistent diese Kriterien sind [7]. Sie geben jedoch eine Richtung vor: Der R_(th) ist eine anerkannte Kenngröße für den Alterungszustand und relevante Veränderungen liegen im zweistelligen Prozentbereich. Das ist mit guter Signalverarbeitung im Feld auflösbar.

Wie funktioniert Rth-Trending im Gerät?

Das Prinzip ist einfach: Rth ist die Temperaturdifferenz geteilt durch die Verlustleistung. Die Umsetzung ist es jedoch nicht.

Die Verlustleistung muss geschätzt werden. Die Firmware kennt Strom, Spannung, Schaltfrequenz und Temperatur. Daraus lässt sich über ein Verlustmodell die Leistung berechnen, die im Halbleiter umgesetzt wird. Bei SiC-MOSFETs muss das Modell die Temperaturabhängigkeit des Durchlasswiderstands berücksichtigen.

Temperaturen erfassen: Mehrere NTC-Sensoren an Halbleiter, Kühlkörper und im Gehäuse liefern die Temperaturdifferenzen entlang der Wärmekette.

Vergleichbare Betriebspunkte finden: Das ist der entscheidende Teil. Ein passiver Kühlkörper reagiert mit großer thermischer Trägheit und wechselt deutlich langsamer als die Last. Aussagekräftig sind nur quasistationäre Zustände bei ähnlicher Last und ähnlicher Umgebungstemperatur. Die Firmware sammelt diese Zustände, sortiert sie in Klassen und vergleicht jede Klasse mit ihrer eigenen Historie.

Referenz setzen: Die ersten Betriebswochen nach der Inbetriebnahme liefern die Baseline. Jede Abweichung wird relativ dazu bewertet, nicht gegen einen Datenblattwert.

Das Ergebnis ist somit keine exakte Sperrschichttemperatur, sondern ein Trend. Und genau der ist interessant.

Was der Trend verrät

Ein langsamer, stetiger Anstieg über Jahre hinweg deutet auf Materialalterung im Interface oder in den Lotschichten hin. Ein Sprung innerhalb weniger Tage hat dagegen meist eine äußere Ursache: Das Gerät wurde nachträglich eingehaust, Konvektionswege sind zugestellt oder die Montage hat sich gelöst.

Gerade der erste Fall ist sonst kaum zu fassen. Die bereits erwähnte FMEA-Studie zeigt, dass schwerwiegende Alterungsmechanismen wie die Ermüdung des Die-Attach durch Temperaturzyklen zugleich zu den am schlechtesten erkennbaren gehören [1]. Rth-Trending macht einen Teil davon messbar – aus der Ferne und bevor der Kunde einen Ertragsverlust bemerkt.

Warum das für den Handel zählt

Für Distributoren und Installateure verschiebt Rth-Trending die Diskussion von der Vermutung zur Datenlage.

– Serviceeinsätze lassen sich planen, statt auf Ausfälle zu reagieren.

– Installationsfehler werden sichtbar, lange bevor sie zur Garantiefrage werden.

– Bei Reklamationen gibt es eine thermische Historie des Geräts statt Aussage gegen Aussage.

Und es beantwortet eine Frage, die bei einer Laufzeit von 20 Jahren jeder stellen sollte: „Wie geht es dem Gerät im Jahr zwölf?”

Material und Messung gehören zusammen.

Monitoring ersetzt keine robuste Auslegung. Beim ampareq Gen3 haben wir deshalb beides kombiniert: keramische Wärmeleitpads statt Paste, passive Kühlung ohne Lüfter und ein Rth-Trending in der Firmware. Die Pads verringern das Pump-Out-Risiko deutlich, der Verzicht auf den Lüfter eliminiert eines der dominierenden Risiken aus der FMEA vollständig und das Trending überwacht, was über die Lebensdauer hinweg trotzdem passiert.

Die Frage ist nicht, ob ein Wechselrichter altert. Die Frage ist, ob er es Ihnen sagt.