【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用中受到高度重視。需要更多關于設備預期壽命的知識，[1]。對于設計人員來說，為了選擇適合實現(xiàn)特定任務概況的電源模塊，需要在早期開發(fā)階段進行相關的可靠性調(diào)查。對于設備制造商來說，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計方面進行評估和改進[2] - [6]。
壽命預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)生重復的熱機械應力，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)溫是受關注的指標之一。功率循環(huán)測試關鍵的瓶頸之一是結(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，該技術可以在功率循環(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)設置。
分析
圖 2 所示的測試設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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