用于探测在构件、尤其是电力电子设备的功率模块以及电力电子设备、尤其是变流器上的与老化相关的损伤或分层的方法和装置制造方法及图纸

为了能够实现对在构件上、诸如在电力电子设备或变流器中使用的功率模块上的与老化相关的损伤或分层的可靠的探测，该探测容许对构件或功率模块的还剩余的运行使用寿命的足够精确的预测，提出：[i]在高频反射测量的过程中，通过在微波或毫米波范围内的高频信号辐射并且通过测量至少一个在构件（BT、LM）上由于高频信号辐射而被反射的反射信号（RSI）来逐点地、一维地或二维地扫描构件（BT）、尤其是功率模块（LM），以产生、尤其是基于用于图像重建的数学方法来产生至少一个第一高频图像（HFA1）；[ii]与高频信号辐射直接时间错开地通过超声信号辐射与在微波或毫米波范围内的高频信号辐射的组合以及通过测量至少一个其它的、在该构件（BT、LM）上由于超声信号和高频信号辐射而被反射的反射信号（RSI'）来逐点地、一维地或二维地扫描该构件（BT、LM），以产生至少一个第二高频图像（HFA2）；而且[iii]将基于这些反射信号（RSI、RSI'）所产生的高频图像（HFA1、HFA2）进行比较，其中在这些高频图像（HFA1、HFA2）中所查明的变化表明在该构件（BT、LM）上的损坏或分层。层。层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于探测在构件、尤其是电力电子设备的功率模块以及电力电子设备、尤其是变流器上的与老化相关的损伤或分层的方法和装置


[0001]本专利技术涉及:一种按照专利权利要求1的前序部分所述的用于探测在构件、尤其是电力电子设备的功率模块上的与老化相关的损伤或分层的方法；一种按照专利权利要求6的前序部分所述的用于探测在构件、尤其是电力电子设备的功率模块上的与老化相关的损伤或分层的装置；和一种按照专利权利要求13的前序部分所述的电力电子设备、尤其是变流器。

技术介绍

[0002]原则上，在给定的使用或运行环境下承受连续或者周期性变化的物理负荷的各种材料性质或者成分的构件上都能观察到与老化相关地形成损伤或分层。这样，在电力电子设备、诸如变流器中的功率模块、诸如“绝缘栅双极型晶体管<IGBT>”模块由于在其规定的运行范围内的正常运行而发生老化。该老化主要由于运行加热和冷却的大量负载循环所引起，这些负载循环导致半导体芯片下方的芯片焊料层逐渐破坏并且导致将电流传导到进行开关且进行整流的芯片中的键合线和芯片金属化部的疲劳。典型的、在此出现的错误机制是芯片和系统焊料的键合剥离（Bond Lift
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Off）、跟部裂纹（Heel
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Crack）和焊料疲劳。
[0003]因此，对构件、尤其是在像变流器那样的电力电子设备中的功率模块的可靠的老化确定是令人感兴趣的，该老化确定容许对还剩余的运行使用寿命的足够精确的预测。
[0004]借助于雷达，能够指出与老化相关的电和机械变化。为此，必须在长达30年的时间段内监控在微波或毫米波范围内构件或功率模块的反射的变化。然而，雷达系统通常在该时间段内并非长期稳定，使得无法将HF参考测量与在老化运行状态下的测量进行比较。因而，由于雷达系统的漂移，不容易实现可靠的老化确定。
[0005]在一定必须避免构件或功率模块的失灵的应用领域，例如在海上风电场中的变流器的情况下、在牵引应用的情况下等等，存在通过在维护层面、构件或功率模块失灵上的冗余或预防性更换来实现的各种解决途径。在此，借助于热模型和加快的使用寿命测试，可以推断出预期和已经消耗掉的使用寿命。然而，由于所使用的模型，这些计算存在大的误差。
[0006]就功率模块而言，一些功率模块制造商例如提供IGBT模块，这些IGBT模块包含二极管，集成为IGBT芯片的温度传感器。借此，通过“绝缘栅双极型晶体管<IGBT>”的温度升高可以间接推断出老化。
[0007]迄今为止，并没有用于对变流器中的功率模块的状态监控以进行使用寿命预测的商业解决方案。
[0008]为了补偿在HF网络分析仪中的漂移，虽然提供在每次测量之前都对系统进行重新校准的校准装置。但是，目前并没有具有长达几年时间的长期稳定性的商业雷达应用。

技术实现思路

[0009]本专利技术所基于的任务在于：说明一种用于探测在构件、尤其是电力电子设备的功率模块以及电力电子设备、尤其是变流器上的与老化相关的损伤或分层的方法和装置，利用该方法或该装置能够实现对构件上、诸如在电力电子设备或变流器中使用的功率模块上的与老化相关的损伤或分层的可靠的探测，该探测容许对构件或功率模块的还剩余的运行使用寿命的足够精确的预测。
[0010]该任务基于在专利权利要求1的前序部分中限定的探测方法通过在专利权利要求1的特征部分中说明的特征来解决。
[0011]该任务还基于在专利权利要求6的前序部分中限定的探测装置通过在专利权利要求6的特征部分中说明的特征来解决。
[0012]该任务还基于在专利权利要求13的前序部分中限定的电力电子设备通过在专利权利要求13的特征部分中说明的特征来解决。
[0013]按照独立权利要求1、6和13所述的本专利技术所基于的想法在于：1) 在高频反射测量的过程中，通过在微波或毫米波范围内的高频信号辐射并且通过测量至少一个在构件上由于高频信号辐射而被反射的反射信号来逐点地、一维地或二维地扫描该构件、尤其是功率模块，以产生、尤其是基于用于图像重建的数学方法来产生至少一个第一高频图像；2) 与高频信号辐射直接时间错开地通过超声信号辐射与在微波或毫米波范围内的高频信号辐射的组合以及通过测量至少一个其它的、在该构件上由于超声信号和高频信号辐射而被反射的反射信号来逐点地、一维地或二维地扫描该构件，以产生至少一个第二高频图像；以及3) 将基于这些反射信号所产生的高频图像进行比较，其中在这些高频图像中所查明的变化表明在该构件上的损伤或分层。
[0014]尤其是在功率模块的情况下，在电气运行的数十年期间逐渐发生老化。按照本专利技术，优选地应该在超声信号辐射与在微波或毫米波范围内的高频信号辐射的组合的情况下，在超声信号辐射与高频信号辐射的该组合的情况下、即在超声激励下测量在功率模块上被反射的反射信号，并且将这些反射信号与在时间上接下来的其中仅辐射高频信号、即不进行超声激励的HF测量进行比较。
[0015]由此观察到的反射信号和高频图像的变化在此对在功率模块中的损伤或分层直接敏感。由于这些测量在时间上接连进行，所以不需要对执行这些测量的HF测量系统的耗费的漂移校正，反射信号和高频图像的变化与在功率模块中的损伤或分层直接相关并且这样可以推断出老化。功率模块的老化主要发生在功率半导体、例如IGBT芯片或二极管的位置。
[0016]基于超声的辐射以通常10
‑
200 kHz的频率进行，而在多位GHz范围内窄带地发生高频信号辐射。在此，超声与高频的组合的相互作用可以被探测为高频信号的边带。
[0017]对于优选地按照权利要求5和12直接在功率模块的底部区域内发生的超声信号辐射来说，按照权利要求4和11，优选地使用至少一个超声震荡单元。
[0018]超声信号辐射对于功率模块的、尤其是焊接和键合的连接层中的局部裂纹非常敏感。根据在键合和焊接的连接平面内的疲劳，这些损伤平面被激励以形成在超声范围内不
同的局部几何振动。优选地，通过在微波或毫米波范围内的高频辐射进行的扫描二维地进行，其中优选地基于用于图像重建的数学方法来产生两个高频图像，一次在没有超声信号辐射的情况下产生第一高频图像以及一次在有超声信号辐射的情况下产生第二高频图像。在此，按照权利要求7，优选地设置具有多根天线的高频天线装置，该高频天线装置按行和列来扫描功率模块，其中每根天线交替地用作或充当发射器和接收器并且在此充当/用作接收器的时长是充当/用作发射器的时长的与在高频天线装置中的天线数目有关的倍数。按照权利要求8，高频天线装置优选地被设计成天线阵列或者T形装置。在发射天线功能中，高频信号被无线地耦合输入到功率模块中，并且在接收天线功能中，用多根天线来测量反射信号。所测量到的反射特性由于在功率模块的电气运行时在键合线和焊接中的热机械裂纹引发而发生变化。通过用天线阵列来辐射和探测，可以在微波或毫米波范围内产生功率模块的相应的高频图像。
[0019]利用用于图像重建的数学方法，根据在HF天线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于探测在构件、尤其是电力电子设备的功率模块上的与老化相关的损伤或分层的方法，其中在高频反射测量的过程中，通过在微波或毫米波范围内的高频信号辐射并且通过测量至少一个在构件（BT、LM）上由于所述高频信号辐射而被反射的反射信号（RSI）来逐点地、一维地或二维地扫描构件（BT）、尤其是功率模块（LM），以产生、尤其是基于用于图像重建的数学方法来产生至少一个第一高频图像（HFA1），其特征在于，a) 与所述高频信号辐射直接时间错开地通过超声信号辐射与在微波或毫米波范围内的高频信号辐射的组合以及通过测量至少一个其它的、在所述构件（BT、LM）上由于超声信号和高频信号辐射而被反射的反射信号（RSI'）来逐点地、一维地或二维地扫描所述构件（BT、LM），以产生至少一个第二高频图像（HFA2），b) 将基于这些反射信号（RSI、RSI'）所产生的高频图像（HFA1、HFA2）进行比较，其中在所述高频图像（HFA1、HFA2）中所查明的变化表明在所述构件（BT、LM）上的损伤或分层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在二维扫描的情况下，利用表示在所述高频图像（HFA1、HFA2）中的变化的差异图像来说明在所述构件（BT、LM）上的损伤或分层的位置和范围。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在所述差异图像中的最大幅度来表明在所述构件（BT、LM）上的损伤或分层。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，为了所述超声信号辐射，使用至少一个超声震荡单元。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果所述构件（BT、LM）是功率模块（LM），则所述超声信号辐射直接在所述功率模块（LM）的底部区域内被辐射。6. 一种用于探测在构件、尤其是电力电子设备的功率模块上的与老化相关的损伤或分层的装置（VG），所述装置具有：被设计用于发射和接收的高频天线装置（HFAO），所述高频天线装置在高频反射测量的过程中通过在微波或毫米波范围内的高频信号辐射并且通过测量至少一个在构件（BT、LM）上由于所述高频信号辐射而被反射的反射信号（RSI）来逐点地、一维地或二维地扫描构件（BT）、尤其是功率模块（LM）；以及用于产生高频图像的生成装置（EE），所述生成装置尤其是基于用于图像重建的数学方法基于通过所述高频天线装置（HFAO）提供的扫描信息（S
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IF）来产生至少一个第一高频图像（HFA1），其特征在于a) 超声信号装置（USSE），所述超声信号装置与所述高频天线装置（HFAO）和所述生成装置（EE）形成功能单元（FE），而且其中所述功...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：