WO2022233730A1 - VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG VON VERSCHLEIß EINER ELEKTRONISCHEN BAUEINHEIT, PRÜFVORRICHTUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG VON VERSCHLEIß EINER ELEKTRONISCHEN BAUEINHEIT, PRÜFVORRICHTUNG Download PDF

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WO2022233730A1
WO2022233730A1 PCT/EP2022/061518 EP2022061518W WO2022233730A1 WO 2022233730 A1 WO2022233730 A1 WO 2022233730A1 EP 2022061518 W EP2022061518 W EP 2022061518W WO 2022233730 A1 WO2022233730 A1 WO 2022233730A1
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WO
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load
electromagnetic waves
assembly
structural unit
cycles
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Application number
PCT/EP2022/061518
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simeon Lange
Andreas Schmidtlein
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2801—Testing of printed circuits, backplanes, motherboards, hybrid circuits or carriers for multichip packages [MCP]
    • G01R31/281—Specific types of tests or tests for a specific type of fault, e.g. thermal mapping, shorts testing
    • G01R31/2817—Environmental-, stress-, or burn-in tests
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2642—Testing semiconductor operation lifetime or reliability, e.g. by accelerated life tests

Definitions

  • the invention relates to a method for determining wear and tear on an electronic component, in particular power electronics, which has at least one electronic component, in particular a semiconductor component, capacitor or the like, the component being subjected to a testing process in which the component is subjected to at least two electrical load cycles, in which the structural unit is operated in each case to simulate at least one selected operating mode for a predetermined period of time.
  • the invention relates to a testing device for determining wear and tear on an electronic assembly, in particular power electronics, which has at least one electronic component, in particular semiconductor component, capacitor or the like, with at least one device for subjecting the assembly to at least two predeterminable electrical load cycles, with at least one Measuring device for detecting electromagnetic waves of the structural unit caused by the at least two load cycles, and having at least one control unit for controlling the testing device and for evaluating the electromagnetic waves detected by the measuring device
  • the assemblies are one to undergo electrical testing, in which the respective assembly with at least one predetermined load cycle, usually several load cycles, is applied.
  • the assembly is operated under specifically selected conditions or with fixed specifications for a predetermined period of time. For example, it is known to use the load cycle to simulate normal operation of the unit or to load and stress the unit to the maximum extent.
  • the invention with the features of claim 1 has the advantage that wear and tear of the structural unit can be reliably detected even during the testing process.
  • the method according to the invention enables wear to be determined at an early stage.
  • the invention it is provided that during the testing process of the unit by an electrical load, which results from the loading of the unit with the at least two load cycles, generated electromagnetic waves are detected for at least two of the load cycles, and that the detected electromagnetic waves of the at least two load cycles for detecting wear of the assembly are compared with one another.
  • the electrical load is to be understood in particular as at least one operating variable that can be determined or recorded, for example a gross or net power, a percentage of a maximum possible utilization of the structural unit, an operating current, an operating voltage, an operating temperature, or the like .
  • the electrical load cycles are to be understood as operating the assembly under selected conditions or with specified specifications for a predetermined period of time in order to simulate at least one operating mode of the assembly.
  • the structural unit has a large number of components, in particular of different types, which each generate at least one of the electromagnetic waves as a result of the electrical load. By means of the comparison, changes in the electromagnetic waves over the period of the test process can be identified.
  • the electrical load preferably corresponds to a normal load arising from normal operation of the assembly.
  • an electromagnetic spectrum of the waves of each load cycle is determined from the electromagnetic waves of the at least two load cycles and these determined spectra are compared with one another to detect wear.
  • the respective electromagnetic spectrum is made up of several electromagnetic waves of the assembly and represents an individual identification feature, i.e. one that is characteristic of the respective assembly, a fingerprint so to speak, of the assembly. Wear of individual components of the assembly is reflected in one for the wearing Component each characteristic change in the spectrum reflected. For example, wear of a first component leads to a different change in the spectrum than wear of a second component.
  • the comparison of the spectra advantageously enables a differentiated analysis of the wear of the structural unit, wherein wear can be assigned to individual components or can be traced back to individual components on the basis of the spectrum.
  • a special feature is that by detecting or determining an electromagnetic spectrum of a unit, which can also have several electrical/electronic components, the wear of the unit as a whole and the wear of one of the components can be inferred.
  • the electromagnetic spectrum is composed in particular of the electromagnetic waves that are emitted or generated by the respective components of the assembly.
  • At least one of the determined spectra is preferably compared with a reference spectrum.
  • the reference spectrum is a predetermined, preferably simulated, ideal spectrum of the structural unit, which is stored, for example, in a control device of a testing device prepared for carrying out the method according to the invention.
  • the reference spectrum is used uniformly for a number of test processes in which a different structural unit of the same type is tested in each case. This enables an advantageous normalization of the testing process.
  • At least a first load cycle of the testing process is particularly preferably carried out as a reference cycle in order to determine the reference spectrum.
  • the reference spectrum i.e. the spectrum of the assembly in the unworn state
  • the reference spectrum is individually recorded for each assembly to be tested and used as a reference for the further load cycles.
  • an individual reference spectrum is available for each tested assembly, so that the determination of wear is coordinated with the individual parameters of the respective assembly and is therefore particularly reliable.
  • several reference cycles are carried out one after the other and an averaged reference spectrum is determined from the reference spectra thereby determined, with which the determined spectrum is compared.
  • the load cycles are specified in such a way that the structural unit is operated under full load.
  • Full-load operation is to be understood as meaning operation of the unit in which the unit is operated at maximum possible utilization, i.e. operating parameters of the unit, such as power,
  • the electrical load resulting from the load cycles preferably corresponds to a maximum intended or possible maximum load of the assembly.
  • the load cycles are specified in such a way that the assembly is operated in part-load operation, with the electrical load corresponding to less than 70%, preferably between 30% and 70%, or exactly 50%, of the electrical load of full-load operation.
  • the structural unit is not operated at maximum utilization, as described above, but only at a percentage thereof. This enables a testing process that is gentle on the assembly and still allows reliable determination of wear.
  • the electromagnetic waves are preferably detected by means of a measuring device directly in or on at least one electrical line of the assembly.
  • At least one sensing element of the measuring unit is therefore preferably arranged in or on the electrical line, with a measuring receiver, spectrum analyzer or an oscilloscope being used in particular as the measuring unit.
  • the electromagnetic waves are detected by means of an antenna device arranged at a distance from the structural unit.
  • the detection of the electromagnetic waves is advantageously not impaired by interference signals from the immediate vicinity of the assembly.
  • the electromagnetic waves are particularly preferably detected by the antenna device both in or on at least the electrical line and at a distance from the structural unit. This enables a particularly advantageous detection of the electromagnetic waves, since the previously mentioned advantages of both measuring methods for detecting the electromagnetic waves are combined.
  • the antenna device is preferably part of the measuring device, so that both of the aforementioned measuring methods can be carried out in an advantageous manner with the same measuring device.
  • the testing device with the features of claim 10 has at least one device for subjecting the assembly to at least two specifiable electrical load cycles, at least one measuring device for detecting electromagnetic waves of the assembly caused by the at least two load cycles, and at least one control unit for controlling the testing device and for evaluation of the electromagnetic waves detected by the measuring device and is characterized in that the control unit is specially designed to carry out the method according to the invention, as described above.
  • the measuring device can be or is electrically conductively connected directly to the structural unit and/or has an antenna device that can be arranged or is arranged at a distance from the structural unit.
  • FIG. 1 a schematic representation of an advantageous testing device
  • FIG. 2 a schematic flowchart of an advantageous
  • FIG. 1 shows an advantageous testing device 1 in a simplified representation.
  • the testing device 1 is designed to carry out an advantageous method for determining wear and tear on an electronic assembly 2, which will be explained in more detail later.
  • the testing device 1 has a device 3 which is designed to subject the structural unit 2 to at least two electrical load cycles, in particular by means of at least one control command.
  • the unit 3 has electronic components for carrying out the load cycles, such as circuits or the like, and is electrically conductively and/or communicatively connected to the assembly 2, for example by at least one cable, as shown in Figure 1 by way of example with a first connecting line 4 shown.
  • the device 3 is preferably also designed to provide a supply voltage for operating the structural unit 2 .
  • the testing device 1 also has a measuring device 5, which is designed to detect electromagnetic waves 6, which are caused when the assembly 2 is operated by an electrical load resulting from the application of the load cycles and are radiated by the assembly. For reasons of clarity, only some of the electromagnetic waves 6 are provided with a reference number in FIG.
  • the measuring device 5 can be electrically connected directly to the structural unit 2 in order to record the electromagnetic waves 6, in this case connected as shown in FIG 1 by way of example using a second connecting line 4′.
  • a sensing element 7, which is designed as a sensor, for example, is integrated into the electrical connection represented by the second connecting line 4', so that the electromagnetic waves 6 can be detected in or on at least one electrical line 8 of the assembly 2.
  • the measuring device 5 has an antenna device 9 which is arranged at a distance from the structural unit 2 and is designed to detect the electromagnetic waves 6 from a predetermined distance.
  • the antenna device 9 is connected to the measuring device 5 in terms of communication technology, either by cable or wirelessly, as shown in FIG. 1 using a third connecting line 4′′.
  • the testing device 1 also has a control unit 10 for activating the testing device 1 and for evaluating the electromagnetic waves 6 detected by the measuring device 5 .
  • the control unit 10 is connected in terms of communication, either by cable or wirelessly, to the device 3 on the one hand and to the measuring device 5 on the other, as shown schematically in FIG.
  • the control unit 10 is preferably a programmable test device, for example a computer, which is designed in particular to control the device 3 in order to subject the structural unit 2 to the at least two load cycles.
  • control unit 10 has at least one data carrier for this purpose, on which a computer program or test program specially prepared for subjecting structural unit 2 to the load cycles is stored.
  • control unit 10 the information on the manner in which the at least two load cycles are to be carried out is preferably stored in control unit 10 or contained in the computer program and can be transmitted to device 3, which is designed to operate structural unit 2 or with it in accordance with this information to apply the at least two load cycles.
  • the control device 10 is integrated into the device 3, the device 3 and the control device 10 together forming a test bench 3'.
  • the control unit 10 and the Device 3 arranged in a common housing or formed in one piece.
  • the electronic assembly 2 is in the form of power electronics and has a housing 11 in which four electronic components 12 are arranged in the present case.
  • the components 12 are electrically connected to one another by means of electrical lines 8 of the structural unit 2 .
  • the components 12 are arranged on a common printed circuit board 13, which is indicated by dashed lines in FIG.
  • Figure 2 shows a schematic flow chart of the method:
  • the method begins in a first step S1 with the arrangement of the structural unit 2 on or in the testing device 1, for example on a table, a storage device designed to store the structural unit 2 or the like.
  • an electrical and/or communication-related connection is established between the structural unit 2 and the device 3 for applying the at least two load cycles to the structural unit 2 and, furthermore, the measuring device 5 for detecting the electromagnetic waves 6 is prepared accordingly, i.e. in particular the sensing element 7 with the structural unit 2 or electrically connected to one of its electrical lines 8 and the antenna device 9 is aligned with the structural unit 2 .
  • a subsequent step S2 the structural unit 2 is subjected to a testing process. As part of this testing process, the structural unit 2 is subjected to at least two electrical load cycles or subjected to the at least two load cycles by the device 3 .
  • a first load cycle is carried out as part of the testing process.
  • a supply voltage provided in particular by the device 3 is applied to the structural unit 2 and the structural unit 2 is thereby operated.
  • the structural unit 2 is operated by the device 3 for a predetermined period of time in a predetermined manner or in at least one predetermined operating mode using at least one control command provided by the control unit 10 .
  • the structural unit 2 is preferably operated in at least two different operating modes.
  • the electrical waves 6 are generated by an electrical load resulting from the operation of the structural unit 2 or of its components 12 . These electrical waves 6 are recorded by the measuring device 5 in cycle step Z2. Subsequently, in a last cycle step Z3, the structural unit 2 is separated from the supply voltage and the first load cycle is thus ended.
  • any number of further load cycles is carried out in a further step S3'.
  • a second or last load cycle is carried out.
  • the cycle steps ZI to Z3 are carried out analogously to the first load cycle according to step S3.
  • all load cycles, including the optional load cycles according to step S3', are carried out in the same way.
  • the structural unit 2 is operated in the same way, ie with the same electrical load, for the same period of time in all load cycles.
  • the load cycles are preferably designed in such a way that the electrical load and time period are selected in such a way that a load cycle simulates normal operation of the structural unit 2 .
  • the structural unit 2 is preferably operated in full-load operation in each load cycle, so that all the operating parameters of the structural unit 2 are utilized to the maximum extent possible. Alternatively, the operation takes place during the load cycles in a partial load operation, ie in particular with a reduced electrical load and/or time period.
  • step S5 an electromagnetic spectrum is determined for each load cycle from the electromagnetic waves 6 that were detected in the previously performed load cycles.
  • the spectra are determined by control unit 10 .
  • a subsequent step S6 the respective electromagnetic waves 6 detected in the load cycles or the respective spectra determined in the optional step S5 are compared with one another, ie evaluated by the control unit 10.
  • the determined spectra are preferably compared with a reference spectrum.
  • the reference spectrum can be a particularly simulated ideal spectrum of the assembly 2 that is stored in the control unit 10 of the testing device 1, or it can be a reference spectrum determined individually for the assembly 2 being tested.
  • the reference spectrum for the tested structural unit 2 is preferably determined individually. In this case, it is provided that at least the first load cycle carried out in step S3 is or was carried out as a reference cycle.
  • any number of further reference cycles are carried out in succession and the reference spectra determined therefrom are averaged, so that an averaged reference spectrum is obtained.
  • the determination of the reference spectra and their averaging preferably takes place in the optional step S5 or at the beginning of step S6, ie before the comparison of the spectra.
  • the spectra determined in particular from further load cycles according to step S3' and from the last load cycle according to step S4 are then compared with the averaged reference spectrum in step S6.
  • a last step S7 it is then determined on the basis of the comparison of the detected electromagnetic waves 6 or the determined spectra whether the structural unit 2 is showing signs of wear.
  • the method described above thus enables a reliable determination of wear on the electronic assembly 2 based on the radiated electromagnetic waves 6, so that the functional capability of the assembly 2 is also reliably ensured in the long term.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Verschleiß einer elektronischen Baueinheit (2), insbesondere Leistungselektronik, die zumindest ein elektronisches Bauelement (12), insbesondere Halbleiterbauelement, Kondensator oder dergleichen aufweist, wobei die Baueinheit (2) einem Prüfvorgang unterzogen wird, in welchem die Baueinheit (2) mit zumindest zwei vorgebbaren elektrischen Lastzyklen beaufschlagt wird, in welchen die Baueinheit (2) jeweils zur Simulation von zumindest einer ausgewählten Betriebsart für eine vorgegebene Zeitspanne betrieben wird. Es ist vorgesehen, dass während des Prüfvorgangs von der Baueinheit (2) durch eine elektrische Belastung, die aus der Beaufschlagung der Baueinheit (2) mit den zumindest zwei Lastzyklen resultiert, erzeugte elektromagnetische Wellen (6) für zumindest zwei der Lastzyklen erfasst werden, und dass die erfassten elektromagnetischen Wellen (6) der zumindest zwei Lastzyklen zur Erfassung von Verschleiß der Baueinheit (2) miteinander verglichen werden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Ermittlung von Verschleiß einer elektronischen Baueinheit,
Prüfvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Verschleiß einer elektronischen Baueinheit, insbesondere Leistungselektronik, die zumindest ein elektronisches Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement, Kondensator oder dergleichen aufweist, wobei die Baueinheit einem Prüfvorgang unterzogen wird, in welchem die Baueinheit mit zumindest zwei elektrischen Lastzyklen beaufschlagt wird, in welchen die Baueinheit jeweils zur Simulation von zumindest einer ausgewählten Betriebsart für eine vorgegebene Zeitspanne betrieben wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Prüfvorrichtung zur Ermittlung von Verschleiß einer elektronischen Baueinheit, insbesondere Leistungselektronik, die zumindest ein elektronisches Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement, Kondensator oder dergleichen, aufweist, mit zumindest einer Einrichtung zur Beaufschlagung der Baueinheit mit zumindest zwei vorgebbaren elektrischen Lastzyklen, mit zumindest einer Messeinrichtung zum Erfassen von durch die zumindest zwei Lastzyklen bewirkten elektromagnetischen Wellen der Baueinheit, und mit zumindest einem Steuergerät zum Ansteuern der Prüfvorrichtung und zum Auswerten der von der Messeinrichtung erfassten elektromagnetischen Wellen
Stand der Technik
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Um bei elektrischen/elektronischen Baueinheiten einen Verschleiß zu erkennen, ist es bekannt, die Baueinheiten einem elektrischen Prüfvorgang zu unterziehen, bei welchem die jeweilige Baueinheit mit zumindest einem vorgebbaren Lastzyklus, üblicherweise mehreren Lastzyklen, beaufschlagt wird. Im Rahmen dieses Lastzyklus wird die Baueinheit unter spezifisch ausgewählten Bedingungen beziehungsweise mit festgelegten Vorgaben für eine vorbestimmte Zeitspanne betrieben. So ist beispielsweise bekannt, durch den Lastzyklus den Normalbetrieb der Baueinheit zu simulieren oder die Baueinheit maximal stark auszulasten und zu beanspruchen. Weil der Verschleiß der Baueinheit selbst nicht direkt ansehbar ist, insbesondere nicht, wenn diese ein Teil einer größeren Einheit ist, bedeutet die Ermittlung des Verschleißes einen verhältnismäßig hohen Aufwand, da häufig die Baueinheit auch demontiert werden muss, um beispielsweise elektrische Kontaktstellen oder dergleichen optisch überprüfen zu können. Diese zeitaufwände Demontage führt darüber hinaus dazu, dass Fehlerstellen erst spät entdeckt werden und dadurch die Entwicklungszeit verlängert wird. Außerdem kann Verschleiß entstehen, welcher die Funktion der Baueinheit zumindest zunächst nicht beeinträchtigt, sodass durch eine rein visuelle Prüfung nicht entschieden werden kann, ob der erkannte Verschleiß die Funktion der Baueinheit beeinträchtigt oder beispielsweise in Kürze beeinträchtigen wird. Bei Bauelementen der Leistungselektronik, wie Halbleiterschalter, Leistungsdioden und Kondensatoren, ändern sich bei derartigem Verschleiß zwar die jeweiligen Betriebsparameter, die Funktion der Baueinheit wird jedoch nicht beeinträchtigt, bis es zu einem Funktionsausfall kommt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung mit den Merkmalen von Anspruch 1 hat den Vorteil, dass Verschleiß der Baueinheit schon während des Prüfvorgangs zuverlässig feststellbar ist. Insofern ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine frühzeitige Ermittlung von Verschleiß. Zudem ist eine Demontage der Baueinheit zur Analyse des Verschleißes nicht notwendig, sodass das Verfahren mit geringem Aufwand und damit kostengünstig durchführbar ist. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass während des Prüfvorgangs von der Baueinheit durch eine elektrische Belastung, die aus der Beaufschlagung der Baueinheit mit den zumindest zwei Lastzyklen resultiert, erzeugte elektromagnetische Wellen für zumindest zwei der Lastzyklen erfasst werden, und dass die erfassten elektromagnetischen Wellen der zumindest zwei Lastzyklen zur Erfassung von Verschleiß der Baueinheit miteinander verglichen werden. Unter der elektrischen Belastung ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere zumindest eine ermittelbare beziehungsweise erfassbare Betriebsgröße, beispielsweise eine Brutto- oder Nettoleistung, ein prozentualer Anteil einer maximal möglichen Auslastung der Baueinheit, ein Betriebsstrom, eine Betriebsspannung, eine Betriebstemperatur, oder dergleichen, zu verstehen. Weiterhin ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter den elektrischen Lastzyklen jeweils ein Betreiben der Baueinheit unter ausgewählten Bedingungen beziehungsweise mit festgelegten Vorgaben für eine vorbestimmte Zeitspanne zu verstehen, um zumindest eine Betriebsart der Baueinheit zu simulieren. Insbesondere weist die Baueinheit eine Vielzahl von insbesondere verschiedenartigen Bauelementen auf, die jeweils durch die elektrische Belastung zumindest eine der elektromagnetischen Wellen erzeugen. Mittels des Vergleichs sind Veränderungen der elektromagnetischen Wellen über den Zeitraum des Prüfvorgangs erkennbar. Anhand dieser Veränderungen ist ein beginnender Verschleiß der Baueinheit beziehungsweise der Bauelemente feststellbar. Vorzugsweise entspricht die elektrische Belastung einer durch bestimmungsgemäßen Betrieb der Baueinheit entstehenden Normalbelastung. Dadurch ist im Rahmen des Prüfvorgangs eine zuverlässige Simulation des bestimmungsgemäßen Betriebes, also eines Normalbetriebs, der Baueinheit ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus den elektromagnetischen Wellen der zumindest zwei Lastzyklen jeweils ein elektromagnetisches Spektrum der Wellen jedes Lastzyklus ermittelt und diese ermittelten Spektren zur Erfassung von Verschleiß miteinander verglichen werden. Das jeweilige elektromagnetische Spektrum setzt sich insofern aus mehreren elektromagnetischen Wellen der Baueinheit zusammen und stellt ein individuelles, also für die jeweilige Baueinheit charakteristisches, Identifikationsmerkmal, sozusagen einen Fingerabdruck, der Baueinheit, dar. Verschleiß einzelner Bauelemente der Baueinheit spiegelt sich dabei in einer für das verschleißende Bauelement jeweils charakteristischen Veränderung des Spektrums wider. Beispielsweise führt Verschleiß eines ersten Bauelements zu einer anderen Veränderung des Spektrums, als Verschleiß eines zweiten Bauelements. Insofern ermöglicht der Vergleich der Spektren auf vorteilhafte Weise eine differenzierte Analyse von Verschleiß der Baueinheit, wobei anhand des Spektrums Verschleiß einzelnen Bauelementen zuordenbar ist beziehungsweise auf einzelne Bauelemente zurückgeführt werden kann. Eine Besonderheit liegt also darin, dass durch das Erfassen beziehungsweise Ermitteln eines elektromagnetischen Spektrums einer Baueinheit, die auch mehrere elektrische/elektronische Bauelemente aufweisen kann, auf den Verschleiß der Baueinheit insgesamt sowie auf den Verschleiß eines der Bauelemente geschlossen werden kann. Dabei setzt sich das elektromagnetische Spektrum insbesondere aus den elektromagnetischen Wellen, die von den jeweiligen Bauelementen der Baueinheit ausgestrahlt werden beziehungsweise erzeugt werden, zusammen.
Vorzugsweise wird zumindest eines der ermittelten Spektren mit einem Referenzspektrum verglichen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass Verschleiß zuverlässig feststellbar ist, da stets eine Referenz, die eine unverschlissene Baueinheit repräsentiert, vorhanden ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Referenzspektrum um ein vorgegebenes, vorzugsweise simuliertes, Idealspektrum der Baueinheit, welches beispielsweise in einem Steuergerät einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergerichteten Prüfvorrichtung abgelegt ist. Insbesondere wird das Referenzspektrum einheitlich bei mehreren Prüfvorgängen, in denen jeweils eine andere Baueinheit der gleichen Gattung geprüft wird, verwendet. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Normierung des Prüfvorgangs.
Besonders bevorzugt wird zumindest ein erster Lastzyklus des Prüfvorgangs als Referenzzyklus ausgeführt, um das Referenzspektrum zu ermitteln. Insofern wird am Anfang des Prüfvorgangs das Referenzspektrum, also das Spektrum der Baueinheit im unverschlissenen Zustand, individuell für jede zu prüfende Baueinheit individuell erfasst und als Referenz für die weiteren Lastzyklen verwendet. Dadurch ist für jede geprüfte Baueinheit ein individuelles Referenzspektrum vorhanden, sodass die Ermittlung von Verschleiß auf individuelle Parameter der jeweiligen Baueinheit abgestimmt ist und dadurch besonders zuverlässig erfolgt. insbesondere ist vorgesehen, dass mehrere Referenzzyklen hintereinander ausgeführt werden und aus den dabei ermittelten Referenzspektren ein gemitteltes Referenzspektrum ermittelt wird, mit welchem das ermittelte Spektrum verglichen wird. Aufgrund der Mittelung sind Standardabweichungen des Spektrums, die zufällig beispielsweise aufgrund von statistisch vorkommenden Umweltereignissen wie Strahlung vorhanden sein können, aus dem Referenzspektrum heraus korrigiert und damit zumindest im Wesentlichen nicht mehr in dem Referenzspektrum vorhanden. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Ermittlung eines besonders verlässlichen Referenzspektrums.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die Lastzyklen derart vorgegeben, dass die Baueinheit in einem Volllastbetrieb betrieben wird. Unter Volllastbetrieb ist ein Betrieb der Baueinheit zu verstehen, bei welchem die Baueinheit bei maximal möglicher Auslastung betrieben wird, also Betriebsparameter der Baueinheit, wie beispielsweise Leistung,
Multifunktionalität oder dergleichen, maximal ausgereizt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass im Rahmen des Prüfvorgangs zuverlässig Schwachstellen der Baueinheit ermittelt werden und somit eine hohe Verschleißbeständigkeit der Baueinheit gewährleistbar ist. Vorzugsweise entspricht daher die aus den Lastzyklen resultierende elektrische Belastung einer maximal vorgesehenen beziehungsweise möglichen Maximalbelastung der Baueinheit.
Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Lastzyklen derart vorgegeben werden, dass die Baueinheit in einem Teillastbetrieb betrieben wird, wobei die elektrische Belastung weniger als 70 %, bevorzugt zwischen 30 % und 70 %, oder genau 50 %, der elektrischen Belastung eines Volllastbetriebs entspricht. Im Teillastbetrieb wird die Baueinheit also nicht, wie vorstehend beschrieben, bei maximaler Auslastung, sondern nur mit einem prozentualen Anteil davon betrieben. Dies ermöglicht einen die Baueinheit schonenden Prüfvorgang und dennoch eine zuverlässige Ermittlung von Verschleiß.
Vorzugsweise werden die elektromagnetischen Wellen mittels einer Messeinrichtung direkt in oder an zumindest einer elektrischen Leitung der Baueinheit erfasst. Vorteilhafterweise wird dadurch die Erfassung der elektromagnetischen Wellen nicht durch Interferenzen aus der Umgebung beeinträchtigt. Vorzugsweise wird daher zumindest ein Sensierelement der Messeinheit in oder an der elektrischen Leitung angeordnet, wobei insbesondere ein Messempfänger, Spektrumanalysatot oder ein Oszilloskop als Messeinheit verwendet wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die elektromagnetischen Wellen mittels einer beabstandet zu der Baueinheit angeordneten Antenneneinrichtung erfasst werden. Vorteilhafterweise wird dadurch die Erfassung der elektromagnetischen Wellen nicht durch Störsignale aus der unmittelbaren Nähe der Baueinheit beeinträchtigt.
Besonders bevorzugt werden die elektromagnetischen Wellen sowohl in oder an zumindest der elektrischen Leitung, als auch beabstandet von der Baueinheit durch die Antenneneinrichtung erfasst. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Erfassung der elektromagnetischen Wellen ermöglicht, da die zuvor erwähnten Vorteile beider Messverfahren zur Erfassung der elektromagnetischen Wellen kombiniert werden. Vorzugsweise ist die Antenneneinrichtung ein Teil der Messeinrichtung, sodass beide zuvor erwähnten Messverfahren auf vorteilhafte Weise mit derselben Messeinrichtung durchführbar sind.
Die Prüfvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 weist zumindest eine Einrichtung zur Beaufschlagung der Baueinheit mit zumindest zwei vorgebbaren elektrischen Lastzyklen, zumindest eine Messeinrichtung zum Erfassen von durch die zumindest zwei Lastzyklen bewirkten elektromagnetischen Wellen der Baueinheit und zumindest ein Steuergerät zum Ansteuern der Prüfvorrichtung und zum Auswerten der von der Messeinrichtung erfassten elektromagnetischen Wellen auf und zeichnet sich dadurch aus, dass es Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren, wie vorstehend beschrieben, durchzuführen. Es ergeben sich die diesbezüglich bereits genannten Vorteile.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung direkt mit der Baueinheit elektrisch leitend verbindbar oder verbunden ist und/oder eine beabstandet zu der Baueinheit anordenbare oder angeordnete Antenneneinrichtung aufweist. Es ergeben sich die diesbezüglich vorstehend bereits genannten Vorteile. Bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Prüfvorrichtung
Figur 2: ein schematisches Ablaufdiagramm eines vorteilhaften
Verfahrens
Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine vorteilhafte Prüfvorrichtung 1. Die Prüfvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, ein vorteilhaftes Verfahren zur Ermittlung von Verschleiß einer elektronischen Baueinheit 2 durchzuführen, welches an späterer Stelle näher erläutert werden soll.
Die Prüfvorrichtung 1 weist vorliegend eine Einrichtung 3 auf, die dazu ausgebildet ist, insbesondere mittels zumindest eines Steuerbefehls, die Baueinheit 2 mit zumindest zwei elektrischen Lastzyklen zu beaufschlagen. Dazu weist die Einheit 3 elektronische Komponenten zur Durchführung der Lastzyklen, wie beispielsweise Schaltkreise oder dergleichen, auf und ist, beispielsweise durch mindestens ein Kabel, mit der Baueinheit 2 elektrisch leitend und/oder kommunikationstechnisch verbunden, wie in Figur 1 beispielhaft anhand einer ersten Verbindungslinie 4 gezeigt. Vorzugsweise ist die Einrichtung 3 weiterhin dazu ausgebildet, eine Versorgungsspannung zum Betreiben der Baueinheit 2 bereitzustellen.
Die Prüfvorrichtung 1 weist weiterhin vorliegend eine Messeinrichtung 5 auf, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Wellen 6, die beim Betreiben der Baueinheit 2 durch eine aus der Beaufschlagung mit den Lastzyklen resultierende elektrische Belastung bewirkt und von der Baueinheit abgestrahlt werden, zu erfassen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in Figur 1 nur einige der elektromagnetischen Wellen 6 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Messeinrichtung 5 ist zum Erfassen der elektromagnetischen Wellen 6 direkt mit der Baueinheit 2 elektrisch leitend verbindbar, vorliegend verbunden, wie in Figur 1 beispielhaft anhand einer zweiten Verbindungslinie 4‘ gezeigt. Hierbei ist ein Sensierelement 7, das beispielsweise als Messfühler ausgebildet ist, in die durch die zweite Verbindungslinie 4‘ dargestellte elektrische Verbindung integriert, sodass die elektromagnetischen Wellen 6 in oder an zumindest einer elektrischen Leitung 8 der Baueinheit 2 erfassbar sind. Zudem weist die Messeinrichtung 5 eine Antenneneinrichtung 9 auf, die beabstandet zu der Baueinheit 2 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die elektromagnetischen Wellen 6 aus einer vorgegebenen Distanz zu erfassen. Die Antenneneinrichtung 9 ist kommunikationstechnisch, entweder kabelgebunden oder drahtlos, mit der Messeinrichtung 5 verbunden, wie in Figur 1 anhand einer dritten Verbindungslinie 4“ dargestellt.
Die Prüfvorrichtung 1 weist zudem ein Steuergerät 10 zum Ansteuern der Prüfvorrichtung 1 und zum Auswerten der von der Messeinrichtung 5 erfassten elektromagnetischen Wellen 6 auf. Dazu ist das Steuergerät 10 kommunikationstechnisch, entweder kabelgebunden oder drahtlos, einerseits mit der Einrichtung 3 und andererseits mit der Messeinrichtung 5 verbunden, wie in Figur 1 jeweils anhand einer entsprechenden vierten Verbindungslinie 4‘“ beziehungsweise fünften Verbindungslinie 4““ schematisch dargestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Steuergerät 10 um ein programmierbares Prüfgerät, beispielsweise Computer, das insbesondere dazu ausgebildet ist, die Einrichtung 3 dazu anzusteuern, die Baueinheit 2 mit den zumindest zwei Lastzyklen zu beaufschlagen. Insbesondere weist das Steuergerät 10 dazu zumindest einen Datenträger auf, auf welchem ein speziell zur Beaufschlagung der Baueinheit 2 mit den Lastzyklen hergerichtetes Computerprogramm beziehungsweise Prüfprogramm gespeichert ist. Vorzugsweise sind insofern die Informationen, auf welche Art und Weise die zumindest zwei Lastzyklen durchzuführen sind, in dem Steuergerät 10 abgespeichert beziehungsweise in dem Computerprogramm enthalten und an die Einrichtung 3 übermittelbar, welche dazu ausgebildet ist, gemäß diesen Informationen die Baueinheit 2 zu betreiben beziehungsweise mit den zumindest zwei Lastzyklen zu beaufschlagen. Insbesondere ist das Steuergerät 10 in die Einrichtung 3 integriert, wobei die Einrichtung 3 und das Steuergerät 10 zusammen einen Prüfstand 3‘ bilden. Beispielsweise sind dazu das Steuergerät 10 und die Einrichtung 3 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet oder einstückig ausgebildet.
Die elektronischen Baueinheit 2 ist vorliegend als Leistungselektronik ausgebildet und weist ein Gehäuse 11 auf, in welchem vorliegend vier elektronische Bauelemente 12 angeordnet sind. Vorliegend ist zumindest eines dieser Bauelemente als Halbleiterbauelement in Form eines MOSFET ( = metal-oxide- semiconductor field-effect transistor) oder IGBT ( = insulated-gate bipolar transistor) und zumindest ein weiteres der Bauelemente 12 als Kondensator ausgebildet. Die Bauelemente 12 sind mittels elektrischer Leitungen 8 der Baueinheit 2 elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere sind die Bauelemente 12 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 13, die in Figur 1 durch gestrichelte Linien beispielhaft angedeutet ist, angeordnet, wobei die elektrischen Leitungen 8 vorzugsweise als Leiterbahnen der Leiterplatte 13 ausgebildet sind.
Im Folgenden soll nunmehr das vorteilhafte Verfahren zur Ermittlung von Verschleiß der Baueinheit 2 näher erläutert werden. Dazu zeigt Figur 2 ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens:
Das Verfahren beginnt in einem ersten Schritt S1 mit der Anordnung der Baueinheit 2 an oder in der Prüfvorrichtung 1, beispielsweise auf einem Tisch, einer zur Lagerung der Baueinheit 2 ausgebildeten Lagervorrichtung oder dergleichen. Dabei wird eine elektrische und/oder kommunikationstechnische Verbindung zwischen der Baueinheit 2 und der Einrichtung 3 zur Beaufschlagung der Baueinheit 2 mit den zumindest zwei Lastzyklen hergestellt und weiterhin die Messeinrichtung 5 zur Erfassung der elektromagnetischen Wellen 6 entsprechend vorbereitet, also insbesondere das Sensierelement 7 mit der Baueinheit 2 beziehungsweise mit einer ihrer elektrischen Leitungen 8 elektrisch verbunden und die Antenneneinrichtung 9 zu der Baueinheit 2 ausgerichtet.
In einem darauffolgenden Schritt S2 wird die Baueinheit 2 einem Prüfvorgang unterzogen. Im Rahmen dieses Prüfvorgangs wird die Baueinheit 2 zumindest zwei elektrischen Lastzyklen unterzogen beziehungsweise durch die Einrichtung 3 mit den zumindest zwei Lastzyklen beaufschlagt. In einem weiteren Schritt S3 wird im Rahmen des Prüfvorgangs ein erster Lastzyklus durchgeführt. Hierbei wird in einem ersten Zyklusschritt ZI eine insbesondere von der Einrichtung 3 bereitgestellte Versorgungsspannung an die Baueinheit 2 angelegt und dadurch die Baueinheit 2 betrieben. In einem nächsten Zyklusschritt Z2 wird die Baueinheit 2 mittels zumindest einem von dem Steuergerät 10 bereitgestellten Steuerbefehls von der Einrichtung 3 für eine vorgegebene Zeitspanne auf eine vorgegebene Art und Weise beziehungsweise in zumindest einer vorgegebenen Betriebsart betrieben. Vorzugsweise wird die Baueinheit 2 dabei in zumindest zwei verschiedenen Betriebsarten betrieben. Dabei werden durch eine aus dem Betreiben resultierende elektrische Belastung von der Baueinheit 2 beziehungsweise von ihren Bauelementen 12 die elektrischen Wellen 6 erzeugt. Diese elektrischen Wellen 6 werden in Zyklusschritt Z2 von der Messeinrichtung 5 erfasst. Anschließend wird in einem letzten Zyklusschritt Z3 die Baueinheit 2 von der Versorgungsspannung getrennt und damit der erste Lastzyklus beendet.
Optional wird in einem weiteren Schritt S3‘ eine beliebige Anzahl weiterer Lastzyklen durchgeführt.
In einem nächsten Schritt S4 wird ein zweiter beziehungsweise letzter Lastzyklus ausgeführt. Hierbei werden die Zyklusschritte ZI bis Z3 analog zu dem ersten Lastzyklus gemäß Schritt S3 durchgeführt. Generell werden alle Lastzyklen, also auch die optionalen Lastzyklen gemäß Schritt S3‘ auf die gleiche Weise durchgeführt. Insofern wird die Baueinheit 2 in allen Lastzyklen auf die gleiche Weise, also mit dergleichen elektrischen Belastung, für die gleiche Zeitspanne betrieben. Vorzugsweise sind die Lastzyklen derart konzipiert, elektrische Belastung und Zeitspanne sind also derart gewählt, dass ein Lastzyklus einen bestimmungsgemäßen Betrieb der Baueinheit 2 simuliert. Vorzugsweise wird die Baueinheit 2 dabei in jedem Lastzyklus im Vollastbetrieb betrieben, sodass sämtliche Betriebsparameter der Baueinheit 2 maximal möglich ausgereizt werden. Alternativ erfolgt das Betreiben während der Lastzyklen in einem Teillastbetrieb, also insbesondere mit einer reduzierten elektrischen Belastung und/oder Zeitspanne. Nach Beendigung des in Schritt S4 durchgeführten letzten Lastzyklus ist der Prüfvorgang gemäß Schritt S2 beendet.
In einem anschließenden optionalen Schritt S5 wird aus den elektromagnetischen Wellen 6, die in den zuvor durchgeführten Lastzyklen erfasst wurden, für jeden Lastzyklus jeweils ein elektromagnetisches Spektrum ermittelt. Insbesondere werden die Spektren durch das Steuergerät 10 ermittelt.
In einem anschließenden Schritt S6 werden die jeweiligen in den Lastzyklen erfassten elektromagnetischen Wellen 6 beziehungsweise die im optionalen Schritt S5 ermittelten jeweiligen Spektren miteinander verglichen, also von dem Steuergerät 10 ausgewertet. Bevorzugt werden die ermittelten Spektren dabei mit einem Referenzspektrum verglichen. Bei dem Referenzspektrum kann es sich um ein insbesondere simuliertes Idealspektrum der Baueinheit 2, dass in dem Steuergerät 10 der Prüfvorrichtung 1 abgespeichert ist, oder um ein für die geprüfte Baueinheit 2 individuell ermitteltes Referenzspektrum handeln. Vorzugsweise wird das Referenzspektrum für die geprüfte Baueinheit 2 individuell ermittelt. In diesem Fall ist vorgesehen, dass zumindest der in Schritt S3 durchgeführte erste Lastzyklus als Referenzzyklus durchgeführt wird beziehungsweise wurde. Besonders bevorzugt werden nachfolgend an den ersten Referenzzyklus gemäß Schritt S3 in dem optionalen Schritt S3‘ eine beliebige Anzahl weiterer Referenzzyklen hintereinander durchgeführt und die daraus ermittelten Referenzspektren gemittelt, sodass ein gemitteltes Referenzspektrum erhalten wird. Die Ermittlung der Referenzspektren sowie ihre Mittelung erfolgt vorzugsweise in dem optionalen Schritt S5 oder am Anfang von Schritt S6, also noch vor dem Vergleich der Spektren. Die insbesondere aus weiteren Lastzyklen gemäß Schritt S3‘ und das aus dem letzten Lastzyklus gemäß Schritt S4 ermittelten Spektren werden dann in Schritt S6 mit dem gemittelten Referenzspektrum verglichen.
In einem letzten Schritt S7 wird dann anhand des Vergleichs der erfassten elektromagnetischen Wellen 6 beziehungsweise der ermittelten Spektren bestimmt, ob die Baueinheit 2 Verschleiß aufweist. Das zuvor beschriebene Verfahren ermöglicht somit eine zuverlässige Bestimmung von Verschleiß der elektronischen Baueinheit 2 anhand der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen 6, sodass die Funktionsfähigkeit der Baueinheit 2 auch langfristig zuverlässig gewährleistet ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung von Verschleiß einer elektronischen Baueinheit (2), insbesondere Leistungselektronik, die zumindest ein elektronisches Bauelement (12), insbesondere Halbleiterbauelement, Kondensator oder dergleichen aufweist, wobei die Baueinheit (2) einem Prüfvorgang unterzogen wird, in welchem die Baueinheit (2) mit zumindest zwei vorgebbaren elektrischen Lastzyklen beaufschlagt wird, in welchen die Baueinheit (2) jeweils zur Simulation von zumindest einer ausgewählten Betriebsart für eine vorgegebene Zeitspanne betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Prüfvorgangs von der Baueinheit (2) durch eine elektrische Belastung, die aus der Beaufschlagung der Baueinheit (2) mit den zumindest zwei Lastzyklen resultiert, erzeugte elektromagnetische Wellen (6) für zumindest zwei der Lastzyklen erfasst werden, und dass die erfassten elektromagnetischen Wellen (6) der zumindest zwei Lastzyklen zur Erfassung von Verschleiß der Baueinheit (2) miteinander verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den elektromagnetischen Wellen (6) der zumindest zwei Lastzyklen jeweils ein elektromagnetisches Spektrum jedes Lastzyklus ermittelt und diese ermittelten Spektren zur Erfassung von Verschleiß miteinander verglichen werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der ermittelten Spektren mit einem Referenzspektrum verglichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Lastzyklus des Prüfvorgangs als Referenzzyklus ausgeführt wird, um das Referenzspektrum zu ermitteln.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Referenzzyklen hintereinander ausgeführt werden und aus den dabei ermittelten Referenzspektren ein gemitteltes Referenzspektrum ermittelt wird, mit welchem das ermittelte Spektrum verglichen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastzyklen derart vorgegeben werden, dass die Baueinheit (2) in einem Volllastbetrieb betrieben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastzyklen derart vorgegeben werden, dass die Baueinheit (2) in einem Teillastbetrieb betrieben wird, wobei die elektrische Belastung weniger als 70 %, bevorzugt zwischen 30 % und 70 % oder genau 50 %, der elektrischen Belastung eines Volllastbetriebs entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Wellen (6) mittels einer Messeinrichtung (5) direkt in oder an zumindest einer elektrischen Leitung (8) der Baueinheit (2) erfasst werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Wellen (6) mittels einer beabstandet zu der Baueinheit (2) angeordneten Antenneneinrichtung (9) erfasst werden.
10. Prüfvorrichtung (1) zur Ermittlung von Verschleiß einer elektronischen Baueinheit (2), insbesondere Leistungselektronik, die zumindest ein elektronisches Bauelement (12), insbesondere Halbleiterbauelement, Kondensator oder dergleichen, aufweist, mit zumindest einer Einrichtung (3) zur Beaufschlagung der Baueinheit (2) mit zumindest zwei vorgebbaren elektrischen Lastzyklen, mit zumindest einer Messeinrichtung (5) zum Erfassen von durch die zumindest zwei Lastzyklen bewirkten elektromagnetischen Wellen (6) der Baueinheit (2), und mit zumindest einem Steuergerät (10) zum Ansteuern der Prüfvorrichtung (1) und zum Auswerten der von der Messeinrichtung (5) erfassten elektromagnetischen Wellen (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) speziell dazu hergerichtet ist, das Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
11. Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) direkt mit der Baueinheit (2) elektrisch leitend verbindbar oder verbunden ist und/oder eine beabstandet zu der Baueinheit (2) anordenbare oder angeordnete Antenneneinrichtung (9) aufweist.
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