非接觸測量法簡介

非接觸測量法是指測量器具的傳感器與被測零件的表面不直接接觸的測量方法。例如：用投影儀和工具顯微鏡等測量零件都是無接觸測量法。

中文名稱

非接觸測量法

英文名稱

noncontact measuring method

定　　義

不與旋轉(zhuǎn)軸接觸測量轉(zhuǎn)速的方法。

應(yīng)用學(xué)科

機械工程（一級學(xué)科），實驗室儀器和裝置（二級學(xué)科），動力測試儀（三級學(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，對其進行芯片溫度測量頗具挑戰(zhàn)，成為近年來電力電子學(xué)科的研究熱點與難點課題?，F(xiàn)有的器件結(jié)溫檢測方法主要可歸納為物理接觸式測量法、光學(xué)非接觸測量法、熱阻抗模型預(yù)測法與熱敏感電參數(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量法

物理接觸式測量法把熱敏電阻或熱電偶等測溫元件置于待測器件內(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，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。利用熱敏電阻對電力電子器件進行芯片溫度檢測需要對待測器件的封裝結(jié)構(gòu)進行改造。風(fēng)電變流器的1700V電壓等級的IGBT模塊采用了內(nèi)置熱敏電阻。該方法測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，測量溫度與真實結(jié)溫之間誤差較大。

熱電偶的測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，當兩者的接觸點存在溫度差時，整個回路將產(chǎn)生熱電勢，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)非接觸測量法

光學(xué)非接觸測量法主要基于冷光、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。在測量前需要把待測器件的封裝打開，除去芯片表面的透明硅脂;然后將待測器件的芯片表面涂黑，以增加被測芯片的輻射系數(shù)，從而提高溫度測量準確度，但破壞了模塊封裝的完整性。通過非接觸式感應(yīng)加熱等方式對待測器件進行溫度控制，模擬待測器件結(jié)溫在實際運行工況中的波動特征。通過紅外熱成像儀對芯片表面溫度進行實時監(jiān)控來獲取待測器件的各點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。遠不能滿足動態(tài)結(jié)溫的實時檢測要求。且光學(xué)非接觸測量法屬于破壞性測量方法，無法用于器件結(jié)溫的在線檢測 。

大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理熱阻抗模型預(yù)測法

熱阻抗模型預(yù)測法則結(jié)合了待測器件、電路拓撲和散熱系統(tǒng)等綜合因素，基于待測器件的實時損耗及瞬態(tài)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，通過仿真計算或離線查表等方式反推芯片結(jié)溫及其變化趨勢。該方法被廣泛應(yīng)用于大容量變換裝備設(shè)計之初的散熱系統(tǒng)評估。在用于結(jié)溫實時監(jiān)測時，需要輔助計算機工具，一般只能模擬器件正常運行時的結(jié)溫變化，在意外故障發(fā)生時(如運行工況異常導(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)無法對待測功率器件的芯片結(jié)溫進行提取。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。通過對材料的幾何形狀與熱特性分析，即可通過實驗測量或數(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)變流器的運行工況進行分析，計算待測器件在該運行工況下的功耗。最后即可根據(jù)外部基板溫度，結(jié)合熱阻網(wǎng)絡(luò)模型反推出待測器件的芯片結(jié)溫 。

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

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使得待測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。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)。當芯片溫度隨著運行工況變化時，待測器件相應(yīng)的外部電氣參數(shù)也會隨之變化。通過對熱敏感電參數(shù)的測量，即可對芯片結(jié)溫進行逆向預(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)提取法進行結(jié)溫測量的步驟如下:首先進行離線的校準程序，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，將該測定的結(jié)溫與電氣參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系作為后續(xù)結(jié)溫測量程序的參考；其次是開展參數(shù)提取程序，在待測器件正常運行時，實時對熱敏感電參數(shù)進行測量，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)測法等方式確定 。

以熱敏電阻為代表的物理接觸式測量法雖然成本低廉，且通過預(yù)埋手段可在不破壞封裝的前提下實現(xiàn)對芯片附近的溫度進行測量，然而該方法難以獲取芯片的真實結(jié)溫，測量誤差較大。光學(xué)非接觸測量法的成本非常高且需要打開待測器件的封裝結(jié)構(gòu)，屬于破壞性測量方法，不適用于環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場實際應(yīng)用。熱阻抗模型預(yù)測法所面臨的難點在于老化因素會影響熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及待測器件的損耗模型難以精確實時計算，算法復(fù)雜且在線結(jié)溫預(yù)測能力較弱。熱敏感電參數(shù)提取法不僅能獲取待測器件內(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，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)。