非接觸測(cè)量法

非接觸測(cè)量法是指測(cè)量器具的傳感器與被測(cè)零件的表面不直接接觸的測(cè)量方法。例如：用投影儀和工具顯微鏡等測(cè)量零件都是無接觸測(cè)量法。

中文名稱

非接觸測(cè)量法

英文名稱

noncontact measuring method

定　　義

不與旋轉(zhuǎn)軸接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法。

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科），實(shí)驗(yàn)室儀器和裝置（二級(jí)學(xué)科），動(dòng)力測(cè)試儀（三級(jí)學(xué)科）

由于大容量電力電子器件的芯片封裝在模塊內(nèi)部，不易直接接觸、難以直接觀測(cè)，對(duì)其進(jìn)行芯片溫度測(cè)量頗具挑戰(zhàn)，成為近年來電力電子學(xué)科的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)課題?，F(xiàn)有的器件結(jié)溫檢測(cè)方法主要可歸納為物理接觸式測(cè)量法、光學(xué)非接觸測(cè)量法、熱阻抗模型預(yù)測(cè)法與熱敏感電參數(shù)提取法等4種技術(shù)手段。

大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理物理接觸式測(cè)量法

物理接觸式測(cè)量法把熱敏電阻或熱電偶等測(cè)溫元件置于待測(cè)器件內(nèi)部，從而獲取其內(nèi)部溫度信息。熱敏電阻法需要外部電源激勵(lì)，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。利用熱敏電阻對(duì)電力電子器件進(jìn)行芯片溫度檢測(cè)需要對(duì)待測(cè)器件的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。風(fēng)電變流器的1700V電壓等級(jí)的IGBT模塊采用了內(nèi)置熱敏電阻。該方法測(cè)量得到的溫度信息是IGBT模塊內(nèi)部基板的平均溫度，并非IGBT芯片的結(jié)溫，測(cè)量溫度與真實(shí)結(jié)溫之間誤差較大。

熱電偶的測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)，將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體通過導(dǎo)線連接成閉合回路，當(dāng)兩者的接觸點(diǎn)存在溫度差時(shí)，整個(gè)回路將產(chǎn)生熱電勢(shì)，即熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng) 。

大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理光學(xué)非接觸測(cè)量法

光學(xué)非接觸測(cè)量法主要基于冷光、拉曼效應(yīng)、折射指數(shù)、反射比、激光偏轉(zhuǎn)等光溫藕合效應(yīng)的表征參數(shù)，通常借助待測(cè)器件溫度與紅外輻射之間的關(guān)系，包括紅外熱成像儀、光纖紅外顯微鏡、輻射線測(cè)定儀等。紅外熱成像儀已被用于大容量電力電子器件的結(jié)溫觀測(cè)。在測(cè)量前需要把待測(cè)器件的封裝打開，除去芯片表面的透明硅脂;然后將待測(cè)器件的芯片表面涂黑，以增加被測(cè)芯片的輻射系數(shù)，從而提高溫度測(cè)量準(zhǔn)確度，但破壞了模塊封裝的完整性。通過非接觸式感應(yīng)加熱等方式對(duì)待測(cè)器件進(jìn)行溫度控制，模擬待測(cè)器件結(jié)溫在實(shí)際運(yùn)行工況中的波動(dòng)特征。通過紅外熱成像儀對(duì)芯片表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控來獲取待測(cè)器件的各點(diǎn)溫度圖譜和溫度梯度。然而現(xiàn)有商用紅外熱成像儀的最高采樣率僅為2000幀。遠(yuǎn)不能滿足動(dòng)態(tài)結(jié)溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)要求。且光學(xué)非接觸測(cè)量法屬于破壞性測(cè)量方法，無法用于器件結(jié)溫的在線檢測(cè) 。

大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理熱阻抗模型預(yù)測(cè)法

熱阻抗模型預(yù)測(cè)法則結(jié)合了待測(cè)器件、電路拓?fù)浜蜕嵯到y(tǒng)等綜合因素，基于待測(cè)器件的實(shí)時(shí)損耗及瞬態(tài)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，通過仿真計(jì)算或離線查表等方式反推芯片結(jié)溫及其變化趨勢(shì)。該方法被廣泛應(yīng)用于大容量變換裝備設(shè)計(jì)之初的散熱系統(tǒng)評(píng)估。在用于結(jié)溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要輔助計(jì)算機(jī)工具，一般只能模擬器件正常運(yùn)行時(shí)的結(jié)溫變化，在意外故障發(fā)生時(shí)(如運(yùn)行工況異常導(dǎo)致?lián)p耗突變或散熱環(huán)節(jié)異常導(dǎo)致熱阻抗網(wǎng)絡(luò)突變)無法對(duì)待測(cè)功率器件的芯片結(jié)溫進(jìn)行提取。圖為含散熱條件的功率變流器熱阻網(wǎng)絡(luò)典型模型 。

大容量功率模塊本身由硅基等芯片、DBC(Direct Copper Bonding)襯底和銅基板等多種材料多層次組成的電力電子器件。通過對(duì)材料的幾何形狀與熱特性分析，即可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或數(shù)學(xué)建模等方式把含有散熱系統(tǒng)的變流器熱阻網(wǎng)絡(luò)模型提取出來。然后根據(jù)變流器的運(yùn)行工況進(jìn)行分析，計(jì)算待測(cè)器件在該運(yùn)行工況下的功耗。最后即可根據(jù)外部基板溫度，結(jié)合熱阻網(wǎng)絡(luò)模型反推出待測(cè)器件的芯片結(jié)溫 。

熱阻抗模型預(yù)測(cè)法需要同時(shí)獲取待測(cè)功率器件的實(shí)時(shí)損耗以及熱阻抗網(wǎng)絡(luò)才可實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的精確預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)損耗模型和熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的精確建模相當(dāng)困難。且在大容量電力電子系統(tǒng)長期運(yùn)行過程中，襯底板下的焊料層與導(dǎo)熱硅脂均會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化。事先測(cè)定的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)由于老化原因發(fā)生較大偏移，從而帶來結(jié)溫預(yù)測(cè)的誤差。

大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理熱敏感電參數(shù)提取法

由于半導(dǎo)體物理器件的內(nèi)部微觀物理參數(shù)與器件溫度具有一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。如載流子的壽命隨著結(jié)溫的升高而升高，而載流子的遷移率隨著溫度的升高而降低。因此這種半導(dǎo)體材料受溫度影響的特性將會(huì)使得待測(cè)功率器件的外部宏觀電氣特性呈現(xiàn)出溫度相關(guān)的變化趨勢(shì)。這種受器件內(nèi)部結(jié)溫影響的外部電氣特征參數(shù)稱之為熱敏感電參數(shù)(temperature sensitive electrical parameter TSEP)。當(dāng)芯片溫度隨著運(yùn)行工況變化時(shí)，待測(cè)器件相應(yīng)的外部電氣參數(shù)也會(huì)隨之變化。通過對(duì)熱敏感電參數(shù)的測(cè)量，即可對(duì)芯片結(jié)溫進(jìn)行逆向預(yù)估。

熱敏感電參數(shù)提取法的核心思想是把待測(cè)器件自身作為溫度傳感部件，將其芯片溫度信息映射在外部的電氣變量上。利用熱敏感電參數(shù)提取法進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量的步驟如下:首先進(jìn)行離線的校準(zhǔn)程序，通過離線方式獲得候選熱敏感電參數(shù)與已知結(jié)溫的映射規(guī)律，將該測(cè)定的結(jié)溫與電氣參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為后續(xù)結(jié)溫測(cè)量程序的參考；其次是開展參數(shù)提取程序，在待測(cè)器件正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)熱敏感電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，利用事先校正程序中獲得的映射關(guān)系反推芯片溫度，該過程可通過曲線擬合后的查表法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等方式確定 。

以熱敏電阻為代表的物理接觸式測(cè)量法雖然成本低廉，且通過預(yù)埋手段可在不破壞封裝的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片附近的溫度進(jìn)行測(cè)量，然而該方法難以獲取芯片的真實(shí)結(jié)溫，測(cè)量誤差較大。光學(xué)非接觸測(cè)量法的成本非常高且需要打開待測(cè)器件的封裝結(jié)構(gòu)，屬于破壞性測(cè)量方法，不適用于環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。熱阻抗模型預(yù)測(cè)法所面臨的難點(diǎn)在于老化因素會(huì)影響熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及待測(cè)器件的損耗模型難以精確實(shí)時(shí)計(jì)算，算法復(fù)雜且在線結(jié)溫預(yù)測(cè)能力較弱。熱敏感電參數(shù)提取法不僅能獲取待測(cè)器件內(nèi)部芯片的平均結(jié)溫，且其成本低、響應(yīng)快、易于在線檢測(cè)，成為最具應(yīng)用潛力的結(jié)溫在線提取與一體化集成的新技術(shù)。