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与流程

1.本发明涉及: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。


背景技术：

2.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-off）、跟部裂纹（heel-crack）和焊料疲劳。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。


技术实现要素：

9.本发明所基于的任务在于：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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.按照独立权利要求1、6和13所述的本发明所基于的想法在于：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。
14.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。按照本发明，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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.利用用于图像重建的数学方法，根据在hf天线装置处接收到的在超声的组合频带内的反射信号可以算出这些高频图像。
20.在二维扫描的情况下，按照权利要求2和9所述的在高频图像中的变化优选地被呈现为差异图像，利用在构件或功率模块上的损伤或分层的位置和范围可以选择性地被量化。这样，在构件或功率模块上的老化区域随着老化增加而被没有局部损伤的区域衬托出来。
21.在此，优选地按照权利要求3和10，通过在差异图像中的最大幅度来表明在构件或功率模块上的损伤或分层。
22.由于雷达系统在微波或毫米波范围内的持久漂移，只能以相当大的耗费来识别在构件或功率模块上的长期变化。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，能够直接探测在构件、尤其是功率模块上的与老化相关的损伤或分层。hf测量系统、也称为雷达系统的漂移不必耗费地被校正，原因在于将时间上彼此紧邻的有超声和没有超声的hf测量进行比较。对hf系统和测量电子设备的要求远低于在漂移校正的构造的情况下。通过损伤或分层的选择性的高频图像，可以实现测量方法的高得多的测量精度和动态性。此外，不再需要耗费的漂移校正来在几年乃至几十年的时间段内对构件或功率模块进行使用寿命监控，其中优选地以老化的功率模块的周期性间隔来进行监控。
附图说明
23.本发明的其它优点根据随后依据唯一的附图对本发明的实施例的描述而得到。
具体实施方式
24.该附图示出了用于探测在电力电子设备leg的功率模块lm上的与老化相关的损伤或分层的装置vg。但是，替代功率模块lm，任何其它构件bt也可以就发生与老化相关的损伤或分层而言被检查并且在此可以探测所发生的与老化相关的损伤或分层。电力电子设备leg例如是变流器，在该变流器中包含随后更详细地描述的装置vg。
25.该装置vg包含被设计用于发射和接收信号的高频天线装置hfao，该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功率模块lm、bt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
维地扫描该功率模块lm、bt。基于通过高频信号装置hfse提供的高频信号来进行高频信号辐射。在此，高频信号装置hfse可以——如在该附图中所示——是该装置vg的组成部分，要不然可以替代地在外部被分配给该装置。
26.在用于发射和接收信号的高频天线装置hfao中所包含的天线数目取决于最终应该进行扫描的方式。
27.对于逐点扫描来说，需要至少两根天线，一根天线用作发射天线，而另一根天线用作接收天线。通过发射天线来在功率模块lm、bt上在微波或毫米波范围内进行高频信号辐射，并且通过接收天线会测量在功率模块lm、bt上由于高频信号辐射而被反射的反射信号rsi。然后，会发生天线变换，发射天线变成接收天线并且接收天线变成发射天线。
28.对于一维扫描来说，会需要布置成一行的多根天线，其中在该行中的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按行布置在高频天线装置hfao中的天线数目有关的倍数。
29.在下文，应该依据在该附图中示出的具有用于二维扫描的天线阵列的高频天线装置hfao来描述这种时长不同的、交替的用作或充当发射器和接收器在该实施例的一个优选的实现形式中通常如何发挥作用，该天线阵列包含多根天线a
x1
...a
x8
和a
y1
...a
y8
。替代地，高频天线装置hfao也可以被设计成t形装置，而不是设计成天线阵列。在二维扫描的情况下，按行和列来扫描功率模块lm、bt，其中每根天线再次交替地用作或充当发射器和接收器，并且在此——如随后将示出的那样——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hfao中的天线数目有关的倍数。
30.在图1中所示出的情况下，在第一扫描步骤中，通过天线a
x1
来在功率模块lm、bt上在微波或毫米波范围内进行第一高频信号辐射，并且通过其它天线a
x2
...a
x8
和a
y1
...a
y8
来测量在功率模块lm、bt上由于高频信号辐射而被反射的反射信号rsi。然后，为了第二扫描步骤，进行天线变换，天线a
x1
变成接收天线并且天线a
x2
变成发射天线。在第二扫描步骤中，通过天线a
x2
来在功率模块lm、bt上在微波或毫米波范围内进行第二高频信号辐射，并且通过其它天线a
x1
、a
x3
...a
x8
和a
y1
...a
y8
来测量在功率模块lm、bt上由于高频信号辐射而被反射的反射信号rsi。根据该原理，天线a
x1
...a
x8
和a
y1
...a
y8
中的每根天线都成为发射天线一次，而相应所有其它天线都是接收天线。根据这些由高频天线装置hfao测量的反射信号rsi，形成扫描信息s-if。
31.现在，该装置vg还包含用于产生高频图像的生成装置ee，该生成装置与高频天线装置hfao连接。扫描信息从高频天线装置hfao被转交给该生成装置ee。在该生成装置ee中，基于通过高频天线装置hfao提供的扫描信息s-if来产生至少一个第一高频图像hfa1。优选地，基于用于图像重建的数学方法来进行对第一高频图像hfa1的这种产生。
32.在该装置vg中还包含超声信号装置usse，该超声信号装置与高频天线装置hfao和生成装置ee形成功能单元fe。超声信号装置usse优选地包含至少一个超声震荡单元。
33.所形成的功能单元fe至于其功能被设计为使得功率模块lm、bt与上述高频信号辐射直接时间错开地——将意味着在微波或毫米波范围内的高频信号辐射和通过测量反射信号rsi对功率模块lm、bt的二维扫描以产生第一高频图像hfa1之后立即——通过由超声信号装置usse辐射的超声信号辐射与已如上所述的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、在该功率模块lm、bt上由于超声信号和高频信号
辐射的组合而被反射的反射信号rsi'来逐点地、一维地或二维地被扫描。
34.通过超声震荡单元来直接在功率模块lm的底部区域内进行超声信号辐射。
35.该扫描类似于在唯一的、之前描述的在微波或毫米波范围内的高频信号辐射的情况下进行。根据在此由高频天线装置hfao测量的其它反射信号rsi'，形成其它扫描信息s-if'。这些其它扫描信息再次从高频天线装置hfao被转交给生成装置ee。在该生成装置ee中，基于通过高频天线装置hfao提供的其它扫描信息来产生至少一个第二高频图像hfa2。优选地，也基于用于图像重建的数学方法来进行对第二高频图像hfa2的这种产生。
36.最后，该装置vg还包含比较装置vge，该比较装置与生成装置ee连接并且与功能单元fe以将基于反射信号rsi、rsi'所产生的高频图像hfa1、hfa2进行比较的方式来在功能上共同起作用，其中在这些高频图像hfa1、hfa2中所查明的变化表明在该功率模块lm、bt上的损伤或分层。
37.在此，该比较可以优选地使得在二维扫描的情况下在这些高频图像hfa1、hfa2中所查明的变化被呈现在差异图像中，利用在该功率模块lm、bt上的损伤或分层的位置和范围来说明。这样，例如可以通过在该差异图像中的最大幅度来表明在该功率模块lm、bt上的损伤或分层。换句话说：存在损伤指标，利用该损伤指标可以根据差异图像的最大局部幅度来确定损伤。