非接触测量法

非接触测量法是指测量器具的传感器与被测零件的表面不直接接触的测量方法。例如：用投影仪和工具显微镜等测量零件都是无接触测量法。

中文名称

非接触测量法

英文名称

noncontact measuring method

定　　义

不与旋转轴接触测量转速的方法。

应用学科

机械工程（一级学科），实验室仪器和装置（二级学科），动力测试仪（三级学科）

由于大容量电力电子器件的芯片封装在模块内部，不易直接接触、难以直接观测，对其进行芯片温度测量颇具挑战，成为近年来电力电子学科的研究热点与难点课题。现有的器件结温检测方法主要可归纳为物理接触式测量法、光学非接触测量法、热阻抗模型预测法与热敏感电参数提取法等4种技术手段。

大容量电力电子器件结温提取原理物理接触式测量法

物理接触式测量法把热敏电阻或热电偶等测温元件置于待测器件内部，从而获取其内部温度信息。热敏电阻法需要外部电源激励，且瞬态响应慢。利用热敏电阻对电力电子器件进行芯片温度检测需要对待测器件的封装结构进行改造。风电变流器的1700V电压等级的IGBT模块采用了内置热敏电阻。该方法测量得到的温度信息是IGBT模块内部基板的平均温度，并非IGBT芯片的结温，测量温度与真实结温之间误差较大。

热电偶的测温原理是基于热电效应，将两种不同的导体或半导体通过导线连接成闭合回路，当两者的接触点存在温度差时，整个回路将产生热电势，即热电效应或塞贝克效应 。

大容量电力电子器件结温提取原理光学非接触测量法

光学非接触测量法主要基于冷光、拉曼效应、折射指数、反射比、激光偏转等光温藕合效应的表征参数，通常借助待测器件温度与红外辐射之间的关系，包括红外热成像仪、光纤红外显微镜、辐射线测定仪等。红外热成像仪已被用于大容量电力电子器件的结温观测。在测量前需要把待测器件的封装打开，除去芯片表面的透明硅脂;然后将待测器件的芯片表面涂黑，以增加被测芯片的辐射系数，从而提高温度测量准确度，但破坏了模块封装的完整性。通过非接触式感应加热等方式对待测器件进行温度控制，模拟待测器件结温在实际运行工况中的波动特征。通过红外热成像仪对芯片表面温度进行实时监控来获取待测器件的各点温度图谱和温度梯度。然而现有商用红外热成像仪的最高采样率仅为2000帧。远不能满足动态结温的实时检测要求。且光学非接触测量法属于破坏性测量方法，无法用于器件结温的在线检测 。

大容量电力电子器件结温提取原理热阻抗模型预测法

热阻抗模型预测法则结合了待测器件、电路拓扑和散热系统等综合因素，基于待测器件的实时损耗及瞬态热阻抗网络模型，通过仿真计算或离线查表等方式反推芯片结温及其变化趋势。该方法被广泛应用于大容量变换装备设计之初的散热系统评估。在用于结温实时监测时，需要辅助计算机工具，一般只能模拟器件正常运行时的结温变化，在意外故障发生时(如运行工况异常导致损耗突变或散热环节异常导致热阻抗网络突变)无法对待测功率器件的芯片结温进行提取。图为含散热条件的功率变流器热阻网络典型模型 。

大容量功率模块本身由硅基等芯片、DBC(Direct Copper Bonding)衬底和铜基板等多种材料多层次组成的电力电子器件。通过对材料的几何形状与热特性分析，即可通过实验测量或数学建模等方式把含有散热系统的变流器热阻网络模型提取出来。然后根据变流器的运行工况进行分析，计算待测器件在该运行工况下的功耗。最后即可根据外部基板温度，结合热阻网络模型反推出待测器件的芯片结温 。

热阻抗模型预测法需要同时获取待测功率器件的实时损耗以及热阻抗网络才可实现结温的精确预测，实时损耗模型和热阻抗网络模型的精确建模相当困难。且在大容量电力电子系统长期运行过程中，衬底板下的焊料层与导热硅脂均会出现不同程度的老化。事先测定的热阻网络模型会由于老化原因发生较大偏移，从而带来结温预测的误差。

大容量电力电子器件结温提取原理热敏感电参数提取法

由于半导体物理器件的内部微观物理参数与器件温度具有一一对应的映射关系。如载流子的寿命随着结温的升高而升高，而载流子的迁移率随着温度的升高而降低。因此这种半导体材料受温度影响的特性将会使得待测功率器件的外部宏观电气特性呈现出温度相关的变化趋势。这种受器件内部结温影响的外部电气特征参数称之为热敏感电参数(temperature sensitive electrical parameter TSEP)。当芯片温度随着运行工况变化时，待测器件相应的外部电气参数也会随之变化。通过对热敏感电参数的测量，即可对芯片结温进行逆向预估。

热敏感电参数提取法的核心思想是把待测器件自身作为温度传感部件，将其芯片温度信息映射在外部的电气变量上。利用热敏感电参数提取法进行结温测量的步骤如下:首先进行离线的校准程序，通过离线方式获得候选热敏感电参数与已知结温的映射规律，将该测定的结温与电气参数的对应关系作为后续结温测量程序的参考；其次是开展参数提取程序，在待测器件正常运行时，实时对热敏感电参数进行测量，利用事先校正程序中获得的映射关系反推芯片温度，该过程可通过曲线拟合后的查表法或神经网络预测法等方式确定 。

以热敏电阻为代表的物理接触式测量法虽然成本低廉，且通过预埋手段可在不破坏封装的前提下实现对芯片附近的温度进行测量，然而该方法难以获取芯片的真实结温，测量误差较大。光学非接触测量法的成本非常高且需要打开待测器件的封装结构，属于破坏性测量方法，不适用于环境复杂的现场实际应用。热阻抗模型预测法所面临的难点在于老化因素会影响热阻网络模型及待测器件的损耗模型难以精确实时计算，算法复杂且在线结温预测能力较弱。热敏感电参数提取法不仅能获取待测器件内部芯片的平均结温，且其成本低、响应快、易于在线检测，成为最具应用潜力的结温在线提取与一体化集成的新技术。