 Banco de pruebas para la calibración de temperatura de semiconductores de potencia
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Banco de pruebas para la calibración de temperatura de semiconductores de potencia
Mayor rendimiento y precisión en el laboratorio de pruebas
Las características de temperatura precisas son esenciales para realizar pruebas de power cycling en semiconductores de potencia. Infineon Technologies AG en Warstein determina estas curvas características en un banco de pruebas con TwinCAT 3 Interface for LabVIEW™ y terminales EtherCAT de la serie ELM3xxx. Como resultado, la calibración se ha vuelto más precisa y la eficiencia de todo el laboratorio de pruebas también ha aumentado significativamente.
En su sede de Warstein, Infineon Technologies desarrolla y fabrica semiconductores y módulos de potencia con capacidades de conducción de corriente que van desde unos pocos amperios hasta 3,000 A. El sitio es considerado un centro de innovación y una ubicación líder para investigación y desarrollo, así como para la fabricación de módulos de potencia tipo frame (FPM). Estos módulos se utilizan a nivel mundial en diversos componentes, por ejemplo, en convertidores para electromovilidad, accionamientos industriales, sistemas ferroviarios, turbinas eólicas y parques solares.
Las pruebas de power cycling son una parte esencial del proceso de desarrollo, así como del aseguramiento de calidad durante la producción. “Esto explica por qué los bancos de pruebas de power cycling representan el mayor factor de costo en nuestro parque de maquinaria en términos de inversión e infraestructura”, señala el Dr. Martin Roeckerath, responsable del laboratorio de pruebas en Warstein. En consecuencia, estos bancos deben utilizarse de la forma más eficiente posible. La calibración previa de temperatura (curva característica TC) de los semiconductores en un banco de pruebas independiente es esencial para estas pruebas. “Estas características de temperatura son necesarias para todas las pruebas posteriores en los bancos de rendimiento, ya que permiten determinar de forma muy rápida y precisa la temperatura de unión bajo carga, una de las variables más importantes”, explica Martin Seidelmann, ingeniero de pruebas en Infineon en Warstein, subrayando la importancia de las mediciones. Por ello, cada módulo debe someterse una vez a la medición TC.
Eliminación del cuello de botella en la calibración de temperatura
Hasta ahora, estas mediciones se realizaban de forma manual, ajustando laboriosamente a mano las corrientes de medición y los voltajes de compuerta, mientras que los voltajes en los contactos del módulo se registraban mediante equipos calibrados. “Nada estaba automatizado”, comenta Martin Seidelmann. Las fallas durante una medición no se detectaban ni señalaban automáticamente. Además, al no estar conectados en red, los registradores requerían que los datos se extrajeran mediante tarjetas SD o memorias USB y se importaran a una PC independiente para calcular las características de temperatura.
Hace poco más de tres años se comenzó a considerar la automatización de este banco de pruebas manual para determinar las características de temperatura. La flexibilidad y apertura del control basado en PC de Beckhoff proporcionaron a Martin Seidelmann un alto grado de libertad, permitiendo calibrar una amplia variedad de módulos sin largos tiempos de preparación. No solo varían las corrientes de medición y los voltajes de compuerta; por ejemplo, hay módulos con diodos que solo se miden en dirección directa. En el caso de los IGBT, la compuerta debe controlarse y medirse el voltaje entre colector y emisor. “En mediciones en dirección inversa, esto también funciona con MOSFET de carburo de silicio”, añade el Dr. Martin Roeckerath.
El banco de medición TC automatizado con control basado en PC permite ahora determinar las características de temperatura de hasta 32 módulos con alta precisión y fiabilidad. Para ello, los módulos se colocan en un horno, controlado mediante TCP/IP y TwinCAT, se cablean y se someten a una corriente regulada con precisión. Durante el proceso de medición, que dura varias horas, el horno sigue un perfil de temperatura definido. Cuando se alcanzan las temperaturas especificadas (equilibrio térmico), el voltaje en los contactos del módulo se mide con precisión y se almacena mediante terminales de medición EtherCAT ELM3102-0100. “Precisión significa resolución de 24 bits y exactitud del 0.01%”, explica Christian Lindemann, Product Manager I/O en Beckhoff. Martin Seidelmann sigue impresionado por la precisión de estas terminales: “Al calibrar el banco, los valores de voltaje coincidían con nuestro estándar de calibración hasta la sexta cifra decimal”.
Calibración precisa y flexible
Infineon utiliza terminales EtherCAT EL2596, desarrolladas para el control de LEDs, para generar corrientes de medición de 10 a 500 mA. “Usamos shunts y terminales de entrada analógica para regular las corrientes con una precisión de 0.1 mA, y lo hacemos con componentes estándar”, enfatiza Martin Seidelmann. Incluso para un módulo especial controlado con solo 1 mA se utilizó una terminal estándar. “Para el aislamiento galvánico necesario de los canales, combinamos las terminales de control LED con terminales de alimentación EL9560”, añade Antonia Kuhn, del área de ventas en Beckhoff.
El control basado en PC también ofrece flexibilidad en la arquitectura de control. Se seleccionó un Embedded PC CX5140, en el cual se ejecuta LabVIEW™ en modo usuario en paralelo con TwinCAT 3. El software de medición recibe todos los valores de consigna y reales, así como bits de estado para operación, visualización y cálculo de la curva característica mediante la interfaz TwinCAT 3 para LabVIEW™ (TF3710). Martin Seidelmann destaca otra ventaja: “Al preparar una prueba, el operador solo introduce los IDs de los módulos. TwinCAT se encarga del resto y configura el control del horno, las corrientes de medición y los voltajes de compuerta, por ejemplo, 15 V para un IGBT o -8 V para módulos de carburo de silicio”.
Colaboración estrecha
El gabinete de control fue diseñado y construido por la ingeniería de sistemas de Beckhoff. “La implementación fue perfecta”, afirma Martin Seidelmann. “Incluye la certificación CE del gabinete, requisito indispensable para Infineon como proveedor automotriz”.
Incluso funciones especiales, como un aumento de la precisión de control por un factor de 10, pudieron implementarse en el producto estándar mediante actualizaciones de firmware. “Gracias a la estrecha colaboración entre Infineon y Beckhoff, logramos una solución rápida y un control aún más preciso”, añade Christian Lindemann.
Beneficios para todo el laboratorio de pruebas
En comparación con la situación anterior, Infineon ahorra alrededor de una hora de preparación por prueba, logrando además una precisión y fiabilidad significativamente mayores en los resultados. La automatización permite ahora ejecutar pruebas nocturnas sin supervisión. “Ahora podemos realizar dos ciclos en un solo día”, señala el Dr. Martin Roeckerath. El horno también se enfría más rápido gracias a la apertura automatizada de puertas mediante TwinCAT y TCP/IP, lo que permite iniciar antes la preparación de la siguiente prueba.
El aumento en el rendimiento no solo se refleja en una mejora significativa del OEE, sino también en la capacidad del laboratorio para cumplir con plazos ajustados de los departamentos de desarrollo. No obstante, el equipo ya trabaja en el siguiente paso: automatizar la obtención de las características de temperatura desde una base de datos central mediante los IDs de los módulos. “Esto generará un incremento adicional en el OEE”, concluye Martin Seidelmann. Tras los resultados positivos del control basado en PC, ya se están planificando dos sistemas adicionales, cada uno con 24 módulos, uno de los cuales se instalará en la planta de producción en Hungría.
Links:
? www.infineon.com
? www.beckhoff.com/measurement
Picture captions, Picture credits/Copyright:
((Infineon_application_01))
Christian Lindemann, Product Manager I/O en Beckhoff; Dr. Martin Roeckerath, responsable del laboratorio de pruebas de semiconductores; y Martin Seidelmann, ingeniero de pruebas de tecnología de banco (ambos de Infineon), así como Antonia Kuhn, del área de ventas en Beckhoff, frente al banco de pruebas (de izquierda a derecha)
Imagen: © Infineon Technologies AG
((Infineon_application_02))
Banco de pruebas automatizado para el cálculo de las características de temperatura de hasta 32 semiconductores de potencia con TwinCAT y terminales de medición EtherCAT de alta precisión de la serie ELM3xxx
Picture: © Infineon Technologies AG
((Infineon_application_03))
Vista del interior del horno: para calcular las características de temperatura de hasta 32 módulos de potencia, se miden los voltajes a diferentes temperaturas y con una corriente de medición definida, con resolución de 24 bits y una precisión del 0.01%, mediante terminales de medición EtherCAT ELM3102-0100
Picture: © Infineon Technologies AG
((Infineon_application_04))
16 terminales de medición EtherCAT ELM3102-0100 de 2 canales (arriba) registran los voltajes generados en los módulos semiconductores con resolución de 24 bits y una precisión del 0.01%; las corrientes de 10 a 500 mA, aplicadas con precisión mediante shunts, son suministradas por terminales EtherCAT EL2596, con aislamiento galvánico a través de terminales de alimentación EL9560 (abajo)
Picture: © Infineon Technologies AG
((Infineon_application_05))
TwinCAT y la interfaz TwinCAT para LabVIEW™ permiten la adaptación automática del banco de pruebas a distintos módulos de potencia, por ejemplo, cambiando el rango de medición de 5 V DC a 2.5 V DC con resolución de 24 bits o configurando los voltajes de compuerta y las corrientes de prueba.
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