精確的溫度特性在功率半導體器件的功率循環(huán)測試中起著舉足輕重的作用。總部位于德國瓦爾施泰因的英飛凌科技股份公司借助一套集成 TwinCAT 3 Interface for LabVIEW™ 和 ELM3xxx 系列 EtherCAT 端子模塊的測試臺架測定相關特性曲線。得益于這一舉措，校準精確度得以大幅提升，整個測試實驗室的運作效率也實現(xiàn)了顯著增長。
英飛凌科技位于瓦爾施泰因的基地專注于功率半導體器件及模塊的開發(fā)與制造工作，這些產(chǎn)品具備多樣化的載流能力，范圍從幾安培到 3000 A 不等。該基地是公認的創(chuàng)新核心，更是框架式供電模塊（FPM）研發(fā)與制造領域的領軍典范。這些模塊廣泛應用于全球各類設備中，例如電動汽車變流器、工業(yè)驅動裝置、鐵路驅動系統(tǒng)、風力發(fā)電機以及太陽能電站。
功率循環(huán)測試是產(chǎn)品開發(fā)過程與生產(chǎn)階段質量保證的核心環(huán)節(jié)。“這也合理解釋了，在投資以及基礎設施需求方面，功率循環(huán)測試臺為何會成為我們設備中成本占比最高的部分。”瓦爾施泰因測試實驗室負責人 Martin Roeckerath 博士如此說道。鑒于此，必須盡可能以高效的方式運用這些測試臺架。在開展相關測試工作之前，需借助獨立的測試臺架對半導體開展溫度校準操作，也就是測定其 TC 特性曲線。“后續(xù)在性能測試臺上執(zhí)行的所有測試都離不開這些溫度特性數(shù)據(jù)，這是因為它們能夠極為快速且精準地確定負載狀態(tài)下的結溫，而結溫是最重要的參數(shù)之一。”英飛凌瓦爾施泰因基地的測試工程師 Martin Seidelmann 強調(diào)道。因此，每個模塊都必須完成一次 TC 測量。
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突破溫度校準瓶頸
大約三年前，他們便著手謀劃對那個用于確定溫度特性的手動測試臺實施自動化升級改造。倍福基于 PC 的控制技術憑借其出色的靈活性與開放性，為 Martin Seidelmann 提供了極大的自由空間，使得這座測試臺架上能夠校準各種不同類型的模塊，且無需耗費漫長的設置時間。不僅所測量的電流數(shù)值存在差異，而且門電壓也各不相同。例如，部分配備二極管的模塊只能進行正向測量。
(從左至右)倍福10產(chǎn)品經(jīng)理 Chistian Lindemann、半導體測試實驗室負責人 Martin Reckerath博士、測試臺架技術測試工程師 Martin Seidelmann (兩人均來自英飛凌)，以及倍福銷售工程師 AntoniaKuhn，在測試臺前
現(xiàn)在，基于 PC 控制的自動化 TC 測量工作臺已投入使用，能夠高精度、高可靠性地測定多達 32 個模塊的溫度特性。為此，工作人員需將模塊妥善放置于通過 TCP/IP 和 TwinCAT 控制的爐管之中，并完成相應的接線工作，隨后通入經(jīng)過精確調(diào)節(jié)的電流。在長達數(shù)小時的測量過程中，爐管會按照預先設定的溫度曲線運行。當系統(tǒng)達到指定溫度（熱平衡狀態(tài)）時，模塊觸點上的電壓會被精確測量，然后通過 EtherCAT 測量端子模塊 ELM3102-0100 進行存儲。“所謂精確，是指具備 24 位的分辨率以及 0.01% 的精度。”倍福 I/O 產(chǎn)品經(jīng)理 Christian Lindemann 說道。
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在校準測量工作臺的過程中，ELM 端子模塊所測得的電壓值與我們所采用校準標準的電壓值，在小數(shù)點后第六位依舊分毫不差、完全一致。
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精確且靈活的校準
英飛凌采用專為控制 LED 量身打造的 EtherCAT 端子模塊 EL2596，以精準生成 10 至 500 mA 范圍內(nèi)的測量電流。“我們借助分流器和模擬量輸入端子模塊，以高達 0.1 mA 的精度對測量電流進行調(diào)節(jié)，并且我們所使用的都是標準組件。”Martin Seidelmann 強調(diào)道。即便是僅需 1 mA 電流控制的特殊模塊，標準組件中的 EtherCAT 端子模塊依然能夠適配。“為了實現(xiàn)所需的通道間電隔離，我們組合使用了 LED 控制端子模塊與 EL9560 電源端子模塊。”倍福銷售 Antonia Kuhn 補充道。
項目明確指定采用 CX5140 嵌入式控制器為計算機平臺，并在該平臺上以用戶模式運行 LabVIEW™ Runtime，同時確保其與 TwinCAT 3 并行運行。測量技術軟件通過 TwinCAT 3 Interface for LabVIEW™（TF3710）接收所有設定值與實際值，以及用于操作、可視化和特性曲線計算的狀態(tài)位。
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緊密合作
控制柜由倍福的系統(tǒng)應用部門設計和建造。“此次實施成果堪稱完美。”Martin Seidelmann 表示，“比如，控制柜順利獲得 CE 認證，畢竟，英飛凌作為汽車功率半導體供應商，對于 CE 認證有硬性要求。”
即便面對諸如將控制精度提升十倍這類特殊功能需求，也可以通過固件更新在標準產(chǎn)品中得以實現(xiàn)：“在英飛凌與倍福的通力合作下，我們很快達成共識，成功實現(xiàn)了控制精度的顯著提升。”Christian Lindemann 補充道。
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測試實驗室全面獲益
相較于以往，英飛凌每次測試的設置時間可以節(jié)省約一小時，同時測量精度和可靠性也獲得了很大提升。如今，有了自動化技術助力，測試流程能夠在夜間進無人值守狀態(tài)下運行。“現(xiàn)在，我們一天可以開展兩輪測試。”Martin Roeckerath 博士說道。爐門的開啟通過 TwinCAT 及 TCP/IP 控制，從而顯著加快了爐管的冷卻速度。因此，操作人員能夠更早地著手籌備下一輪測試。
更高的吞吐量不僅直觀地反映在設備綜合效率（OEE）的大幅提升上；而且，對于承擔服務提供角色的測試實驗室來說，這一優(yōu)勢使其能夠更加從容地滿足研發(fā)部門有時極為緊迫的交付期限。盡管目前已經(jīng)取得了令人矚目的成績，但 Martin Seidelmann 和 Martin Roeckerath 博士并未有絲毫懈怠與滿足，他們已經(jīng)在著手進一步提升生產(chǎn)效率：下一步，將不再采用從功率循環(huán)測試臺上手動獲取溫度特性曲線這種耗時費力的方式，而是通過模塊 ID 從中央數(shù)據(jù)庫中自動調(diào)取相關數(shù)據(jù)。“這將進一步提升設備綜合效率。”Martin Seidelmann 說道。得益于對基于 PC 的控制技術所積累的積極且良好的使用體驗，目前公司正在規(guī)劃另外兩套測試系統(tǒng)，每套系統(tǒng)都能夠同時測試 24 個模塊，值得一提的是，其中一套系統(tǒng)將安裝在位于匈牙利的生產(chǎn)基地。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業(yè)，創(chuàng)立于1980年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、I/O 和現(xiàn)場總線組件、驅動技術、自動化軟件、無控制柜解決方案以及工業(yè)圖像解決方案既可作為獨立的組件使用，也可將它們集成到一個完整的控制系統(tǒng)中，適用于各個行業(yè)領域。經(jīng)過40多年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設立40家分支機構，加上全球的合作伙伴，業(yè)務遍及75個國家和地區(qū)。
倍福于1997年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工350人，辦事處遍及國內(nèi)30座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應用于半導體、光伏太陽能、風力發(fā)電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機器人、數(shù)控機床、包裝機械、煙草機械、塑料加工、物流輸送、流程工業(yè)以及智能建筑等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于2014年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍福基于PC的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將IT技術、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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