Wie zuverlässig sind Vorhersagen zur Zuverlässigkeit von Leistungsmodulen?

Interessanterweise sind Zuverlässigkeitskennzahlen nur während der Betriebsdauer eines Produkts aussagekräftig, die letztendlich durch Verschleißmechanismen begrenzt wird.

Die bekannte ‘Badewannenkurve’ veranschaulicht dies und zeigt eine Ausfallrate, die über einen Zeitraum, typischerweise einige Jahre, zwischen einer anfänglichen Frühsterblichkeitsphase und dem Verschleiß relativ konstant bleibt.

In Extremfällen, wie beispielsweise bei einer Rakete mit einer nur wenige Minuten dauernden Einsatzdauer, ist absolute Zuverlässigkeit während dieser kurzen Zeitspanne unerlässlich, selbst wenn die entsprechende mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) in Millionen von Stunden berechnet wird. Betriebstemperatur und Umgebungsbedingungen müssen ebenfalls berücksichtigt werden. So definiert beispielsweise die gängige Zuverlässigkeitsdatenbank MIL-HDBK-217 verschiedene Umgebungen, von ‘bodennah’ bis ‘unbewohnt in der Luft’, und bietet unterschiedliche Berechnungsmethoden, wie etwa die Bauteilanzahl und die Bauteilbelastung. All diese Faktoren beeinflussen die MTBF-Schätzungen.

Eine grundlegende Annahme ist, dass Ausfälle während der Lebensdauer zufällig auftreten und daher einer Exponentialverteilung folgen. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Bauteil die MTBF-Angabe erreicht, nur etwa 0,37 beträgt., wenn es nicht vorher verschleißt. Bei einer großen Anzahl von Geräten, die rund um die Uhr im Einsatz sind, beispielsweise 1.000, und wenn jedes Gerät eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von beispielsweise einer Million Stunden aufweist, fallen während ihrer Lebensdauer etwa neun Geräte pro Jahr aus. ab dem ersten Jahr. Dies mag den Endnutzer verärgern, der eine MTBF von einer Million Stunden mit 114 Jahren zwischen Ausfällen gleichsetzt! Das entspricht jedoch der Realität, und wer den MTBF-Zahlen Glauben schenkt, sollte die Folgen potenzieller Ausfallzeiten, die Lagerhaltung von Ersatzteilen und die Kosten für Nacharbeiten einplanen, falls jährlich neun Geräte ausfallen.

Bestimmung der MTBF

Betrachten wir, wie der MTBF-Wert ermittelt wird. Theoretisch ließe sich der tatsächliche MTBF-Wert aus Kundenausfallberichten ablesen. Bei kostengünstigen Produkten ist der Hersteller jedoch möglicherweise nicht informiert, und die genauen Einsatzbedingungen sind unter Umständen selbst dem Kunden unbekannt. Beispielsweise kann der Betriebszyklus variabel und die Belastung durch externe Faktoren unbestimmt sein. Ein Modulhersteller kann beschleunigte Zuverlässigkeitstests bei hohen Temperaturen durchführen. Dennoch besteht keine allgemeine Übereinstimmung über den genauen Beschleunigungsfaktor, und selbst dann müssen typischerweise Hunderte von Modulen über viele Monate getestet werden, um einen MTBF-Wert mit akzeptabler Zuverlässigkeit zu erhalten. Der Hersteller muss außerdem entscheiden, ob er ‘reale’ Bedingungen durch Leistungs-, Last- und Temperaturzyklen simulieren möchte, was zu einem ganz anderen Ergebnis führen kann.

Die ungenaueste (aber paradoxerweise praktischste) Methode zur Bestimmung der mittleren Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) ist die Verwendung etablierter Standardberechnungen. Dies ermöglicht Vergleiche zwischen Produkten verschiedener Hersteller unter der Annahme identischer Betriebsbedingungen. Unterschiedliche Zuverlässigkeitsstandards können jedoch zu erheblich voneinander abweichenden Ergebnissen führen. Studien, die Berechnungen mit verschiedenen Methoden und Standards wie MIL-HDBK-217, Telcordia SR332, IEC 61709 (Siemens SN29500) und British Telecom HRD4/5 verglichen, haben signifikante Diskrepanzen festgestellt. Eine Studie zeigte sogar einen Unterschied von mehr als 10:1 in der berechneten MTBF zwischen den MIL- und Telcordia-Methoden für denselben DC/DC-Wandler unter identischen Bedingungen.¹

Die beste Verwendung von MTBF-Zahlen

Angesichts dieser Inkonsistenzen sind die veröffentlichten MTBF-Werte für Leistungsmodule daher hauptsächlich als Vergleichswert und nicht als definitive Vorhersage der tatsächlichen Leistung im Feldeinsatz nützlich. In einem Folgebeitrag auf unserer Website werden wir die Umwelt- und elektrischen Belastungsfaktoren untersuchen, die zu den Ausfallraten in der Praxis beitragen, und die Maßnahmen analysieren, die Hersteller wie Flex Power Modules ergreifen, um die Zuverlässigkeit im Feldeinsatz zu maximieren.

1. Leitfaden zum Verständnis der Zuverlässigkeitsprognose, Europäischer Verband der Stromversorgungshersteller, www.epsma.org