【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測試（尤其是交流）中結溫的一種有效且實用的方法。結果表明，在不影響轉換器正常工作的情況下，可以獲得穩定、準確的測量結果。在一篇文章中，將提供光纖實現和使用結溫數據估計壽命的更多細節。

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。需要更多關於設備預期壽命的知識，[1]。對(dui)於(yu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)來(lai)說(shuo)
，為(wei)了(le)選(xuan)擇(ze)適(shi)合(he)實(shi)現(xian)特(te)定(ding)任(ren)務(wu)概(gai)況(kuang)的(de)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)
，需(xu)要(yao)在(zai)早(zao)期(qi)開(kai)發(fa)階(jie)段(duan)進(jin)行(xing)相(xiang)關(guan)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)調(tiao)查(zha)。對(dui)於(yu)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)來(lai)說(shuo)，深(shen)入(ru)了(le)解(jie)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)元(yuan)件(jian)的(de)壽(shou)命(ming)和(he)故(gu)障(zhang)模(mo)式(shi)有(you)助(zhu)於(yu)在(zai)封(feng)裝(zhuang)材(cai)料(liao)和(he)設(she)計(ji)方(fang)麵(mian)進(jin)行(xing)評(ping)估(gu)和(he)改(gai)進(jin)[2] - [6]。

壽命預測方法一般包括兩類。個模型基於故障物理 (PoF) 壽shou命ming模mo型xing，該gai模mo型xing由you於yu缺que乏fa有you關guan電dian源yuan模mo塊kuai材cai料liao和he幾ji何he形xing狀zhuang的de詳xiang細xi信xin息xi而er受shou到dao限xian製zhi。另ling一yi種zhong是shi分fen析xi模mo型xing
，大da量liang使shi用yong雨yu流liu計ji數shu方fang法fa等deng，這zhe些xie都dou需xu要yao實shi驗yan功gong率lv循xun環huan測ce試shi[7]-[9]。

功率半導體器件的功率循環測試會產生重複的熱機械應力，這會帶來累積的疲勞並加速器件的老化直至壽命結束。

(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
，結溫是受關注的指標之一。功率循環測試關鍵的瓶頸之一是結溫可以通過直流功率循環期間的 Vce,on (Vds,on) dechu，yinweiguanduanshijiankeyongyuzhurujiankongdianliubingceliangdaotongzhuangtaidianyayizhezhongfangshizaididianliuxia，jishidezhurujianhexiantuihuazhileidetuihuayingxiangkeyihulvebuji。raner，zaixiandaijiaoliudianyuanxunhuandeqingkuangxia
，zheshibukenengde，yinweizhuruceliangdianliuxuyaonenggoujiang 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，由於模塊封裝和介電凝膠的限製
，直接接觸芯片來測量結溫可能很困難[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，特別是在傳統的TSEP（溫度敏感電參數）方法不容易實現的情況下（交流電源循環）。直到近，OpSense Solutions? 提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)創(chuang)新(xin)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)，該(gai)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)在(zai)功(gong)率(lv)循(xun)環(huan)測(ce)試(shi)期(qi)間(jian)實(shi)現(xian)在(zai)線(xian)結(jie)溫(wen)測(ce)量(liang)。本(ben)文(wen)詳(xiang)細(xi)解(jie)釋(shi)了(le)在(zai)直(zhi)流(liu)和(he)交(jiao)流(liu)功(gong)率(lv)循(xun)環(huan)測(ce)試(shi)下(xia)使(shi)用(yong)光(guang)纖(xian)測(ce)量(liang)結(jie)溫(wen)的(de)細(xi)節(jie)，並(bing)附(fu)有(you)實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)和(he)結(jie)論(lun)。

纖維原理

光纖傳感器OTG-PM[10]的實現使得在進行交流功率循環測試時直接在線結溫測量方法成為可能。使用光纖傳感器測量結溫的細節描述如下。

圖1描述了使用隔離光纖實時測量一個650V - 20A IGBT模mo塊kuai的de結jie溫wen的de方fang法fa。在zai電dian源yuan模mo塊kuai的de塑su料liao外wai殼ke頂ding部bu開kai有you一yi個ge切qie口kou，以yi便bian傳chuan感gan器qi能neng夠gou接jie觸chu到dao芯xin片pian表biao麵mian。由you於yu保bao持chi封feng裝zhuang的de絕jue緣yuan性xing能neng以yi確que保bao轉zhuan換huan器qi能neng夠gou在zai額e定ding功gong率lv
、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性。OTG-PM 傳chuan感gan器qi采cai用yong剛gang性xing陶tao瓷ci管guan保bao護hu微wei型xing傳chuan感gan器qi頭tou的de設she計ji方fang式shi，易yi於yu刺ci穿chuan
，無wu需xu去qu除chu矽gui膠jiao即ji可ke與yu芯xin片pian表biao麵mian接jie觸chu。在zai傳chuan感gan器qi刺ci穿chuan凝ning膠jiao之zhi前qian，傳chuan感gan器qi在zai光guang纖xian支zhi架jia的de幫bang助zhu下xia預yu先xian定ding位wei，

除了易於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）、寬工作溫度範圍（-40 °C - 250 °C）、抗電磁和射頻幹擾等，所有這些都使其非常適合功率循環測試期間的原位結溫測量。

(l) 6單元19英寸工業機架陣列的詳細配置。

(r) 所開發測試台的三維機械布局。

圖 2. 奧爾堡大學 AAU Energy 的電源循環設置。

分析

圖 2 所示的測試設置旨在對多種樣品在不同條件下（包括不同的結溫波動）執行電源循環測試。如圖 3 所示
，兩個三相轉換器背對背連接以循環電力。負載轉換器用於將通過電感器的電流調節為所需的幅度和相位。

圖 3. 電源循環設置示意圖。

DUT 轉換器周圍的大空間可用於放置光纖支架。在此設置上可以進行直流和交流功率循環測試，實驗測試結果如下所示：

A. 直流電源循環

直流電源循環在負載電流為 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 給出了通態電壓和柵極電壓測量結果圖以及 Tj 與時間的關係圖。

B. 交流電源循環

交流電源循環在 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）。相應的結溫測量結果如圖5所示，溫度擺幅為80°C。'

'
(a) 通態電壓和柵極電壓測量結果。

b) 結溫測量結果。

圖 4. 直流電源循環測試波形。

(a) 負載電流和電壓測量結果。(b) 結溫測量結果。

圖 5. 交流電源循環測試波形。

結論

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測試（尤其是交流）中結溫的一種有效且實用的方法。結果表明，在不影響轉換器正常工作的情況下，可以獲得穩定、準確的測量結果。在一篇文章中，將提供光纖實現和使用結溫數據估計壽命的更多細節。

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