使用光纤测量功率元件功率循环期间的温度波动

功率半导体元件的可靠性问题在可再生能源和牵引等许多应用中受到高度重视。需要更多关于设备预期寿命的知识，[1]。对于设计人员来说，为了选择适合实现特定任务概况的电源模块，需要在早期开发阶段进行相关的可靠性调查。对于设备制造商来说，深入了解功率半导体元件的寿命和故障模式有助于在封装材料和设计方面进行评估和改进[2] - [6]。

寿命预测方法一般包括两类。个模型基于故障物理 (PoF) 寿命模型，该模型由于缺乏有关电源模块材料和几何形状的详细信息而受到限制。另一种是分析模型，大量使用雨流计数方法等，这些都需要实验功率循环测试[7]-[9]。

功率半导体器件的功率循环测试会产生重复的热机械应力，这会带来累积的疲劳并加速器件的老化直至寿命结束。

(a) 光纤与芯片W接触安装以测量温度的方案。图片由 Bodo’s Power Systems提供

(b) 功率模块上安装有光纤的 DUT 适配器 PCB。
图 1. 光纤安装。图片由 Bodo’s Power Systems提供

在其他故障指标中，结温是受关注的指标之一。功率循环测试关键的瓶颈之一是结温可以通过直流功率循环期间的 Vce,on (Vds,on) 得出，因为关断时间可用于注入监控电流并测量导通状态电压以这种方式在低电流下，即使得诸如键合线退化之类的退化影响可以忽略不计。然而，在现代交流电源循环的情况下，这是不可能的，因为注入测量电流需要能够将 IGBT/MOSFET 与电路断开的额外电路，从而引入测量伪影，例如杂散电感和电阻 [4]。

通常，人们认为，由于模块封装和介电凝胶的限制，直接接触芯片来测量结温可能很困难[8]，尽管光纤可以作为测量 Tj 的有效替代方案以非侵入和隔离的方式，特别是在传统的TSEP（温度敏感电参数）方法不容易实现的情况下（交流电源循环）。直到近，OpSense Solutions? 提出了一种创新的光纤传感技术，该技术可以在功率循环测试期间实现在线结温测量。本文详细解释了在直流和交流功率循环测试下使用光纤测量结温的细节，并附有实验结果和结论。

纤维原理

光纤传感器OTG-PM[10]的实现使得在进行交流功率循环测试时直接在线结温测量方法成为可能。使用光纤传感器测量结温的细节描述如下。

图1描述了使用隔离光纤实时测量一个650V - 20A IGBT模块的结温的方法。在电源模块的塑料外壳顶部开有一个切口，以便传感器能够接触到芯片表面。由于保持封装的绝缘性能以确保转换器能够在额定功率、电压和正常工作条件下运行至关重要，因此温度测量可能具有挑战性。OTG-PM 传感器采用刚性陶瓷管保护微型传感器头的设计方式，易于刺穿，无需去除硅胶即可与芯片表面接触。在传感器刺穿凝胶之前，传感器在光纤支架的帮助下预先定位，

除了易于安装在凝胶填充电源模块上外，传感器还具有快速响应时间特性（几毫秒）、宽工作温度范围（-40 °C - 250 °C）、抗电磁和射频干扰等，所有这些都使其非常适合功率循环测试期间的原位结温测量。

(l) 6单元19英寸工业机架阵列的详细配置。
(r) 所开发测试台的三维机械布局。

图 2. 奥尔堡大学 AAU Energy 的电源循环设置。

分析

图 2 所示的测试设置旨在对多种样品在不同条件下（包括不同的结温波动）执行电源循环测试。如图 3 所示，两个三相转换器背对背连接以循环电力。负载转换器用于将通过电感器的电流调节为所需的幅度和相位。

图 3. 电源循环设置示意图。

DUT 转换器周围的大空间可用于放置光纤支架。在此设置上可以进行直流和交流功率循环测试，实验测试结果如下所示：

A. 直流电源循环

直流电源循环在负载电流为 20 A、2 s 开/关时间下进行；电流在电源模块的两相之间换向。图 4 给出了通态电压和栅极电压测量结果图以及 Tj 与时间的关系图。

B. 交流电源循环

交流电源循环在 400 V 直流母线电压下进行，交流峰值电流为 20 A（基本频率为 0.25 Hz）。相应的结温测量结果如图5所示，温度摆幅为80°C。

(a) 通态电压和栅极电压测量结果。


b) 结温测量结果。
图 4. 直流电源循环测试波形。


(a) 负载电流和电压测量结果。(b) 结温测量结果。

图 5. 交流电源循环测试波形。

结论

本文证明，在 DUT 上实施 OpSens 光纤传感器可以成为测量功率循环测试（尤其是交流）中结温的一种有效且实用的方法。结果表明，在不影响转换器正常工作的情况下，可以获得稳定、准确的测量结果。在一篇文章中，将提供光纤实现和使用结温数据估计寿命的更多细节。