功率半导体温度校准测试台架
精确的温度特性在功率半导体器件的功率循环测试中起着举足轻重的作用。总部位于德国瓦尔施泰因的英飞凌科技股份公司借助一套集成 TwinCAT 3 Interface for LabVIEWTM 和 ELM3xxx 系列 EtherCAT 端子模块的测试台架测定相关特性曲线。得益于这一举措，校准精确度得以大幅提升，整个测试实验室的运作效率也实现了显著增长。
英飞凌科技位于瓦尔施泰因的基地专注于功率半导体器件及模块的开发与制造工作，这些产品具备多样化的载流能力，范围从几安培到 3000 A 不等。该基地是公认的创新核心，更是框架式供电模块（FPM）研发与制造领域的领军典范。这些模块广泛应用于全球各类设备中，例如电动汽车变流器、工业驱动装置、铁路驱动系统、风力发电机以及太阳能电站。
功率循环测试是产品开发过程与生产阶段质量保证的核心环节。“这也合理解释了，在投资以及基础设施需求方面，功率循环测试台为何会成为我们设备中成本占比最高的部分。”瓦尔施泰因测试实验室负责人 Martin Roeckerath 博士如此说道。鉴于此，必须尽可能以高效的方式运用这些测试台架。在开展相关测试工作之前，需借助独立的测试台架对半导体开展温度校准操作，也就是测定其 TC 特性曲线。“后续在性能测试台上执行的所有测试都离不开这些温度特性数据，这是因为它们能够极为快速且精准地确定负载状态下的结温，而结温是最重要的参数之一。”英飞凌瓦尔施泰因基地的测试工程师 Martin Seidelmann 强调道。因此，每个模块都必须完成一次 TC 测量。
突破温度校准瓶颈
截至目前，这些测量工作均采用手动方式完成：具体而言，测量电流与门电压时，必须费力地手动设置参数，而模块触点上产生的电压则借助经过校准的记录仪进行记录。“整个过程自始至终都没有任何自动化。”Martin Seidelmann 说道。在测量过程中，若出现故障，系统无法自动检测并给出相应提示。由于记录仪未联网，测量值只能先通过 SD 卡或 U 盘读取，再导入到另一台独立的 PC 中，以计算温度特性曲线。
大约三年前，他们便着手谋划对那个用于确定温度特性的手动测试台实施自动化升级改造。倍福基于 PC 的控制技术凭借其出色的灵活性与开放性，为 Martin Seidelmann 提供了极大的自由空间，使得这座测试台架上能够校准各种不同类型的模块，且无需耗费漫长的设置时间。不仅所测量的电流数值存在差异，而且门电压也各不相同。例如，部分配备二极管的模块只能进行正向测量。而对于 IGBT，则需精准控制栅极并测量其集电极与发射极之间的电压。“在进行反向测量时，这一情况同样适用于碳化硅 MOSFET。”Martin Roeckerath 博士透露道。
现在，基于 PC 控制的自动化 TC 测量工作台已投入使用，能够高精度、高可靠性地测定多达 32 个模块的温度特性。为此，工作人员需将模块妥善放置于通过 TCP/IP 和 TwinCAT 控制的炉管之中，并完成相应的接线工作，随后通入经过精确调节的电流。在长达数小时的测量过程中，炉管会按照预先设定的温度曲线运行。当系统达到指定温度（热平衡状态）时，模块触点上的电压会被精确测量，然后通过 EtherCAT 测量端子模块 ELM3102-0100 进行存储。“所谓精确，是指具备 24 位的分辨率以及 0.01% 的精度。”倍福 I/O 产品经理 Christian Lindemann 说道。Martin Seidelmann 对这些 EtherCAT 端子模块所展现出的高精度仍记忆犹新：“在校准测量工作台的过程中，ELM 端子模块所测得的电压值与我们所采用校准标准的电压值，在小数点后第六位依旧分毫不差、完全一致。”
精确且灵活的校准
英飞凌采用专为控制 LED 量身打造的 EtherCAT 端子模块 EL2596，以精准生成 10 至 500 mA 范围内的测量电流。“我们借助分流器和模拟量输入端子模块，以高达 0.1 mA 的精度对测量电流进行调节，并且我们所使用的都是标准组件。”Martin Seidelmann 强调道。即便是仅需 1 mA 电流控制的特殊模块，标准组件中的 EtherCAT 端子模块依然能够适配。“为了实现所需的通道间电隔离，我们组合使用了 LED 控制端子模块与 EL9560 电源端子模块。”倍福销售 Antonia Kuhn 补充道。
基于 PC 的控制技术在控制架构层面也展现出了卓越的灵活性。项目明确指定采用 CX5140 嵌入式控制器为计算机平台，并在该平台上以用户模式运行 LabVIEW™ Runtime，同时确保其与 TwinCAT 3 并行运行。测量技术软件通过 TwinCAT 3 Interface for LabVIEW™（TF3710）接收所有设定值与实际值，以及用于操作、可视化和特性曲线计算的状态位。Martin Seidelmann 还看到了 EtherCAT 端子模块可编程性所蕴含的另一大优势：“在准备测试时，操作人员只需输入待测模块的 ID 即可。后续的工作都由 TwinCAT 完成，它负责配置炉管控制、测量电流以及门电压 — 例如，为 IGBT 设定 15 V 的电压，或为碳化硅模块设置 8 V 电压。”
紧密合作
控制柜由倍福的系统应用部门设计和建造。“此次实施成果堪称完美。”Martin Seidelmann 表示，“比如，控制柜顺利获得 CE 认证，毕竟，英飞凌作为汽车功率半导体供应商，对于 CE 认证有硬性要求。”
即便面对诸如将控制精度提升十倍这类特殊功能需求，也可以通过固件更新在标准产品中得以实现：“在英飞凌与倍福的通力合作下，我们很快达成共识，成功实现了控制精度的显著提升。”Christian Lindemann 补充道。
测试实验室全面获益
相较于以往，英飞凌每次测试的设置时间可以节省约一小时，同时测量精度和可靠性也获得了很大提升。如今，有了自动化技术助力，测试流程能够在夜间进无人值守状态下运行。“现在，我们一天可以开展两轮测试。”Martin Roeckerath 博士说道。炉门的开启通过 TwinCAT 及 TCP/IP 控制，从而显著加快了炉管的冷却速度。因此，操作人员能够更早地着手筹备下一轮测试。
更高的吞吐量不仅直观地反映在设备综合效率（OEE）的大幅提升上；而且，对于承担服务提供角色的测试实验室来说，这一优势使其能够更加从容地满足研发部门有时极为紧迫的交付期限。尽管目前已经取得了令人瞩目的成绩，但 Martin Seidelmann 和 Martin Roeckerath 博士并未有丝毫懈怠与满足，他们已经在着手进一步提升生产效率：下一步，将不再采用从功率循环测试台上手动获取温度特性曲线这种耗时费力的方式，而是通过模块 ID 从中央数据库中自动调取相关数据。“这将进一步提升设备综合效率。”Martin Seidelmann 说道。得益于对基于 PC 的控制技术所积累的积极且良好的使用体验，目前公司正在规划另外两套测试系统，每套系统都能够同时测试 24 个模块，值得一提的是，其中一套系统将安装在位于匈牙利的生产基地。
