【導讀】本文證明，在 DUT 上實施 OpSens 光纖傳感器可以成為測量功率循環(huán)測試（尤其是交流）中結(jié)溫的一種有效且實用的方法。結(jié)果表明，在不影響轉(zhuǎn)換器正常工作的情況下，可以獲得穩(wěn)定、準確的測量結(jié)果。在一篇文章中，將提供光纖實現(xiàn)和使用結(jié)溫數(shù)據(jù)估計壽命的更多細節(jié)。
功率半導體元件的可靠性問題在可再生能源和牽引等許多應(yīng)用中受到高度重視。需要更多關(guān)于設(shè)備預(yù)期壽命的知識，[1]。對于設(shè)計人員來說，為了選擇適合實現(xiàn)特定任務(wù)概況的電源模塊，需要在早期開發(fā)階段進行相關(guān)的可靠性調(diào)查。對于設(shè)備制造商來說，深入了解功率半導體元件的壽命和故障模式有助于在封裝材料和設(shè)計方面進行評估和改進[2] - [6]。
壽命預(yù)測方法一般包括兩類。個模型基于故障物理 (PoF) 壽命模型，該模型由于缺乏有關(guān)電源模塊材料和幾何形狀的詳細信息而受到限制。另一種是分析模型，大量使用雨流計數(shù)方法等，這些都需要實驗功率循環(huán)測試[7]-[9]。
功率半導體器件的功率循環(huán)測試會產(chǎn)生重復(fù)的熱機械應(yīng)力，這會帶來累積的疲勞并加速器件的老化直至壽命結(jié)束。
(a) 光纖與芯片W接觸安裝以測量溫度的方案。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
(b) 功率模塊上安裝有光纖的 DUT 適配器 PCB。
圖 1. 光纖安裝。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
在其他故障指標中，結(jié)溫是受關(guān)注的指標之一。功率循環(huán)測試關(guān)鍵的瓶頸之一是結(jié)溫可以通過直流功率循環(huán)期間的 Vce,on (Vds,on) 得出，因為關(guān)斷時間可用于注入監(jiān)控電流并測量導通狀態(tài)電壓以這種方式在低電流下，即使得諸如鍵合線退化之類的退化影響可以忽略不計。然而，在現(xiàn)代交流電源循環(huán)的情況下，這是不可能的，因為注入測量電流需要能夠?qū)?IGBT/MOSFET 與電路斷開的額外電路，從而引入測量偽影，例如雜散電感和電阻 [4]。
通常，人們認為，由于模塊封裝和介電凝膠的限制，直接接觸芯片來測量結(jié)溫可能很困難[8]，盡管光纖可以作為測量 Tj 的有效替代方案以非侵入和隔離的方式，特別是在傳統(tǒng)的TSEP（溫度敏感電參數(shù)）方法不容易實現(xiàn)的情況下（交流電源循環(huán)）。直到近，OpSense Solutions? 提出了一種創(chuàng)新的光纖傳感技術(shù)，該技術(shù)可以在功率循環(huán)測試期間實現(xiàn)在線結(jié)溫測量。本文詳細解釋了在直流和交流功率循環(huán)測試下使用光纖測量結(jié)溫的細節(jié)，并附有實驗結(jié)果和結(jié)論。
纖維原理
光纖傳感器OTG-PM[10]的實現(xiàn)使得在進行交流功率循環(huán)測試時直接在線結(jié)溫測量方法成為可能。使用光纖傳感器測量結(jié)溫的細節(jié)描述如下。
圖1描述了使用隔離光纖實時測量一個650V - 20A IGBT模塊的結(jié)溫的方法。在電源模塊的塑料外殼頂部開有一個切口，以便傳感器能夠接觸到芯片表面。由于保持封裝的絕緣性能以確保轉(zhuǎn)換器能夠在額定功率、電壓和正常工作條件下運行至關(guān)重要，因此溫度測量可能具有挑戰(zhàn)性。OTG-PM 傳感器采用剛性陶瓷管保護微型傳感器頭的設(shè)計方式，易于刺穿，無需去除硅膠即可與芯片表面接觸。在傳感器刺穿凝膠之前，傳感器在光纖支架的幫助下預(yù)先定位，
除了易于安裝在凝膠填充電源模塊上外，傳感器還具有快速響應(yīng)時間特性（幾毫秒）、寬工作溫度范圍（-40 °C - 250 °C）、抗電磁和射頻干擾等，所有這些都使其非常適合功率循環(huán)測試期間的原位結(jié)溫測量。
(l) 6單元19英寸工業(yè)機架陣列的詳細配置。
(r) 所開發(fā)測試臺的三維機械布局。
圖 2. 奧爾堡大學 AAU Energy 的電源循環(huán)設(shè)置。
分析
圖 2 所示的測試設(shè)置旨在對多種樣品在不同條件下（包括不同的結(jié)溫波動）執(zhí)行電源循環(huán)測試。如圖 3 所示，兩個三相轉(zhuǎn)換器背對背連接以循環(huán)電力。負載轉(zhuǎn)換器用于將通過電感器的電流調(diào)節(jié)為所需的幅度和相位。
圖 3. 電源循環(huán)設(shè)置示意圖。
DUT 轉(zhuǎn)換器周圍的大空間可用于放置光纖支架。在此設(shè)置上可以進行直流和交流功率循環(huán)測試，實驗測試結(jié)果如下所示：
A. 直流電源循環(huán)
直流電源循環(huán)在負載電流為 20 A、2 s 開/關(guān)時間下進行；電流在電源模塊的兩相之間換向。圖 4 給出了通態(tài)電壓和柵極電壓測量結(jié)果圖以及 Tj 與時間的關(guān)系圖。
B. 交流電源循環(huán)
交流電源循環(huán)在 400 V 直流母線電壓下進行，交流峰值電流為 20 A（基本頻率為 0.25 Hz）。相應(yīng)的結(jié)溫測量結(jié)果如圖5所示，溫度擺幅為80°C。'
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(a) 通態(tài)電壓和柵極電壓測量結(jié)果。
b) 結(jié)溫測量結(jié)果。
圖 4. 直流電源循環(huán)測試波形。
(a) 負載電流和電壓測量結(jié)果。(b) 結(jié)溫測量結(jié)果。
圖 5. 交流電源循環(huán)測試波形。
結(jié)論
本文證明，在 DUT 上實施 OpSens 光纖傳感器可以成為測量功率循環(huán)測試（尤其是交流）中結(jié)溫的一種有效且實用的方法。結(jié)果表明，在不影響轉(zhuǎn)換器正常工作的情況下，可以獲得穩(wěn)定、準確的測量結(jié)果。在一篇文章中，將提供光纖實現(xiàn)和使用結(jié)溫數(shù)據(jù)估計壽命的更多細節(jié)。
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