【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电力生产领域，特别涉及一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置及方法。
技术介绍
1、功率变换器被认为是影响整体电气系统可靠性的关键环节。在风电场中，用于能量转换的功率电子变换器导致约13％的故障和18％的停机时间。而在大规模光伏装置中，光伏逆变器引起约37％的非计划维护事件。据行业调查显示，半导体开关和电容器是功率变换器中最脆弱的组件。意外过载和系统瞬变是导致随机故障的主要原因，而长期磨损则主要是由热应力、机械振动和湿度引起的。
2、作为功率半导体模块封装结构中重要的组成部分，键合线起着连接设备内部芯片和芯片与设备外部端子之间的关键作用。然而，它也是模块中最脆弱的组件之一。由于持续大电流的作用，键合位置受到温度波动带来的交替应力影响，可能导致裂纹的形成。随着功率半导体模块工作时间的增加，应力和应变会逐渐积累，最终导致裂纹的扩展，甚至直至键合线完全断裂或脱落。
3、国内外学者对功率半导体器件键合线健康状态监测进行了大量研究，所提出的方法可分为电气量监测方法和非电气量监测方法。电气量测量方法主要可分为器件导通电压监测、栅极电压监测、芯片跨导监测、米勒平台时间监测、器件关断时间监测等。这类方法往往设计多个电气量交叉测量，设计系统较为复杂，对测量精度的要求也较高。非电气测量方法主要包括超声波监测方法、涡流脉冲热成像监测方法、振动位移测量方法等。非电气量测量方法往往涉及专用的测量仪器，其成本高昂且不具备实时检测性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，包括电流传感器、磁场测量模块及键合线状态判断模块；
4、所述电流传感器用于监测流通功率半导体器件或键合线的电流；
5、所述磁场测量模块包括磁场传感器、仪表放大器、温度传感器及微控制器；
6、所述磁场传感器用于测量电流流经键合线时产生的磁场，所述仪表放大器用于放大磁场传感器的输出信号，所述温度传感器用于测量键合线附近的温度，所述微控制器用于接收温度传感器所测量的温度数据，并根据温度数据调整仪表放大器的放大系数，以对磁场传感器进行温度补偿；
7、所述键合线状态判断模块通过比较所述电流传感器所测得的电流和所述磁场测量模块所测得的磁场，判断键合线失效情况。
8、进一步地，所述根据温度数据调整仪表放大器的放大系数，表示如下：
9、
10、其中，t为键合线附近温度，g(t)为在键合线附近温度t下的仪表放大器的放大系数，st为磁场传感器的温度效应系数，si为未发生键合线失效时，所述仪表放大器输出电压信号相对于所述键合线电流的增益，vcc为磁场传感器的供电电压，smr为磁场传感器的灵敏度，g为仪表放大器在键合线附近温度为25℃下的放大系数，n为键合线数量，h为磁场传感器相对于键合线的高度，di为磁场传感器与第i根键合线的水平距离。
11、进一步地，所述通过比较所述电流传感器所测得的电流和所述磁场测量模块所测得的磁场，判断键合线失效情况，具体为：
12、若仪表放大器输出电压信号与电流传感器输出电流值之间的比值在si±5％的范围内，则键合线未发生失效；若仪表放大器输出电压信号与电流传感器输出电流值之间的比值超出si±5％的范围，则判定键合线已发生失效；
13、其中，si为未发生键合线失效时，所述仪表放大器输出电压信号相对于所述键合线电流的增益。
14、进一步地，所述磁场传感器为单轴磁场传感器，用于测量磁场在一个方向上的分量。
15、进一步地，所述磁场传感器采用hmc1021各向异性磁电阻效应传感器。
16、进一步地，所述温度传感器采用热电阻pt100，所述电流传感器采用电流传感器tcp0150。
17、进一步地，所述微控制器采用微控制器stm32f103rct6。
18、一种功率半导体器件键合线失效的在线监测方法，包括以下步骤：
19、步骤1：通过电流传感器测量流经键合线的电流；
20、步骤2：通过磁场传感器测量由键合线电流产生的磁场；
21、步骤3：将磁场传感器的测量输出导入仪表放大器，并计算仪表放大器在25℃下的放大系数g；
22、步骤4：通过温度传感器测量键合线附近的温度；
23、步骤5：将温度传感器的输出输入到微控制器，并通过计算校正仪表放大器的放大系数g(t)；
24、步骤6：通过比较所述电流传感器和仪表放大器的输出，判断键合线是否发生失效。
25、进一步地，步骤5中通过计算校正仪表放大器的放大系数，具体为：
26、
27、其中，t为键合线附近温度，g(t)为在键合线附近温度t下的仪表放大器的放大系数，st为磁场传感器的温度效应系数，si为未发生键合线失效时，所述仪表放大器输出电压信号相对于所述键合线电流的增益，vcc为磁场传感器的供电电压，smr为磁场传感器的灵敏度，g为仪表放大器在键合线附近温度为25℃下的放大系数，n为键合线数量，h为磁场传感器相对于键合线的高度，di为磁场传感器与第i根键合线的水平距离。
28、进一步地，步骤6中通过比较所述电流传感器和仪表放大器的输出，判断键合线是否发生失效，具体为：
29、若仪表放大器输出电压信号与电流传感器输出电流值之间的比值在si±5％的范围内，则键合线未发生失效；若仪表放大器输出电压信号与电流传感器输出电流值之间的比值超出si±5％的范围，则判定键合线已发生失效；
30、其中，si为未发生键合线失效时，所述仪表放大器输出电压信号相对于所述键合线电流的增益。
31、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
32、本专利技术使用磁场传感器采集键合线通过电流时产生的磁场，并与电流传感器所测得的电流波形相对比，以获得键合线的失效信息。磁场传感器及其信号处理电路主要由磁场传感器芯片和仪表放大器组成，具有体积较小、便于集成、价格低廉、设计简单的特点。且本专利技术的监测方法主要通过测量磁场来完成，不参与到功率半导体的功率电路和驱动电路中，具有非侵入式的特点。对于功率半导体器件键合线的失效监测具有较高的应用价值。另外，本专利技术利用温度传感器和微控制器对磁场传感器的温度效应进行了校正，消除了功率半导体工作期间温度变化对磁场传感器灵敏度的影响，提高了监测的精度。
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1.一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，包括电流传感器、磁场测量模块及键合线状态判断模块；
2.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述根据温度数据调整仪表放大器的放大系数，表示如下：
3.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述通过比较所述电流传感器所测得的电流和所述磁场测量模块所测得的磁场，判断键合线失效情况，具体为：
4.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述磁场传感器为单轴磁场传感器，用于测量磁场在一个方向上的分量。
5.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述磁场传感器采用HMC1021各向异性磁电阻效应传感器。
6.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述温度传感器采用热电阻Pt100，所述电流传感器采用电流传感器TCP0150。
7.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线
8.一种功率半导体器件键合线失效的在线监测方法，基于权利要求1所述的在线监测装置，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测方法，其特征在于，步骤5中通过计算校正仪表放大器的放大系数，具体为：
10.根据权利要求8所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测方法，其特征在于，步骤6中通过比较所述电流传感器和仪表放大器的输出，判断键合线是否发生失效，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，包括电流传感器、磁场测量模块及键合线状态判断模块；
2.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述根据温度数据调整仪表放大器的放大系数，表示如下：
3.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述通过比较所述电流传感器所测得的电流和所述磁场测量模块所测得的磁场，判断键合线失效情况，具体为：
4.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述磁场传感器为单轴磁场传感器，用于测量磁场在一个方向上的分量。
5.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件键合线失效的在线监测装置，其特征在于，所述磁场传感器采用hmc1021各向异性磁电阻效应传感器。
【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟力，王来利，肖国春，高凯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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