功率半導體溫度校正測試平台
精確掌握功率半導體的溫度特性，是執行功率循環（Power Cycling）測試的重要前提。英飛凌科技（Infineon Technologies AG）位於德國 Warstein 的測試實驗室，透過搭載 TwinCAT 3 Interface for LabVIEW™ 與 ELM3xxx 系列 EtherCAT 端子模組的測試平台，完成功率半導體溫度特性曲線的量測。導入後，不僅提升了溫度校正的精度，更大幅提高了整個測試實驗室的測試效率。
英飛凌科技位於德國 Warstein 的廠區，專注於開發與生產功率半導體及功率模組，產品電流承載能力涵蓋數安培至 3,000 A。該廠區被視為創新中心、研發及製造框架式電源模組 (FPM) 的領導定位。這些功率模組廣泛應用於全球各類電力轉換設備，例如電動車變流器、工業驅動控制、鐵路驅動系統、風力發電機組及太陽能電站等。
功率循環測試是開發過程以及生產過程中品質保證的重要部分。「這也說明了為什麼功率循環測試平台，在我們的測試設備中，無論是設備投資或基礎設施建置，都是成本最高的項目。」德國 Warstein 測試實驗室主管 Martin Roeckerath 博士表示。因此，這些測試平台必須盡可能提高使用效率。對於這些測試而言，事先在單獨的測試台上對半導體進行溫度校準（TC 特性曲線）至關重要。英飛凌 Warstein 廠區的測試工程師 Martin Seidelmann 強調：「這些溫度特性曲線是後續所有性能測試平台不可或缺的基礎資料，因為它們可協助快速且精確地推算元件在負載狀態下的接面溫度，而接面溫度正是最關鍵的測試參數之一。」 因此，每個模組都必須進行一次 TC 測量。
突破溫度校正瓶頸
過去，這些量測皆仰賴人工進行，測試人員必須逐一手動設定量測電流與閘極電壓，並透過經校正的量測設備記錄模組各接點的電壓值，整個流程相當耗時。「沒有任何東西是自動化的。」Martin Seidelmann 說。測量過程中的故障無法自動偵測並發出信號。由於記錄儀並未連接網路，因此必須透過 SD 卡或 USB 隨身碟讀取測量值，並將其匯入獨立的電腦，以計算溫度特性。
約三年前，英飛凌開始著手評估將用於量測溫度特性曲線的人工測試平台導入自動化。Beckhoff PC-based Control 的開放性與靈活性，提供 Martin Seidelmann 極大的自由度，可在無需耗費大量設定時間的情況下，於同一測試平台完成多種功率模組的溫度校正。不僅測量電流存在差異，閘極電壓也不相同。例如，有些模組的二極體只能進行正向測量。但是，對於 IGBT 模組，必須控制閘極，並測量其集電極和發射極之間的電壓。Martin Roeckerath 博士透露：「在反向測量時，這也適用於碳化矽 MOSFET。」
現在，PC-based 控制的自動化 TC 測量平台已導入使用，能以高精度和高可靠性測定多達 32 個模組的溫度特性。為此，待測模組會放置於溫控爐中，透過 TCP/IP 與 TwinCAT 控制爐內溫度，完成接線後，再施加經精確控制的量測電流。在歷時數小時的量測過程中，溫控爐會依照預先設定的溫度曲線運行。當達到指定溫度時（熱平衡），模組接點的電壓會透過 ELM3102-0100 EtherCAT 測量模組進行精度檢測和儲存。Beckhoff I/O 產品經理 Christian Lindemann 表示：「所謂精確，是指具備 24 位元解析度（24-bit resolution）與 0.01% 的量測精度。」 Martin Seidelmann 至今仍對這些 EtherCAT 端子模組的量測精度印象深刻：「在校正測試平台時，ELM 端子模組所量測的電壓值，與我們的校正標準一致，甚至可精確到小數點後第六位。」
精度與彈性校準
英飛凌採用專為 LED 控制所開發的 EL2596 EtherCAT 端子模組，可產生 10 至 500 mA 的量測電流。Martin Seidelmann 強調：「我們利用分流電阻（shunt）搭配類比輸入端子模組，即可將量測電流控制至 0.1 mA 的精度，而且全部都是採用標準元件。」 即使是僅需 1 mA 控制電流的特殊模組，也能直接採用標準 EtherCAT 端子模組實現。Beckhoff 銷售部的 Antonia Kuhn 補充：「為了達到通道必要的電離隔離，我們將 LED 控制端子模組與 EL9560 電源端子模組相結合。
PC-based 控制在控制架構方面也具有高度的靈活性。控制器採用 CX5140 嵌入式 PC，並在使用者模式（User Mode）下，同時執行 TwinCAT 3 與 LabVIEW™ Runtime。量測軟體則透過 TwinCAT 3 Interface for LabVIEW™（TF3710），取得所有設定值、實際值，以及用於設備操作、監控顯示，以及溫度特性曲線計算的系統狀態位元（Status Bits）。Martin Seidelmann 從 EtherCAT 端子模組的可程式化中看到了另一個優勢：「在準備測試時，操作員只需輸入要待測量的模組 ID。TwinCAT 會處理剩下的工作，並配置電爐的控制、測量電流和閘極電壓，例如，IGBT 為 15 V，碳化矽模塊為 -8 V。」
密切合作
控制櫃由 Beckhoff 系統應用部門設計製造。「執行工作非常完美。」Martin Seidelmann 說道。「其中包括控制櫃必須通過 CE 認證，這是英飛凌作為汽車功率半導體供應商必須遵循的規範。」
即使是特殊功能，例如控制精度提高 10 倍，也可以透過韌體更新在標準產品中實現，Christian Lindemann 補充：「在英飛凌和倍福自動化的密切合作下，我們很快就得出了結論，並且能夠實現更高精度的控制。
整個測試實驗室的優勢
與之前相比，英飛凌每次測試可節省約一小時的設定時間，同時大幅提升測量結果的精確度與可靠性。現在透過自動化，可以在晚上執行測試而無需監督。Martin Roeckerath 博士說：「現在我們可以在一天內完成兩次執行。」 由於爐門是由 TwinCAT 並透過 TCP/IP 打開，因此爐子可以更快速地冷卻。這表示操作員可以提早開始準備下一次測試。
更高的測試產能，不僅帶動整體設備效率（OEE）的顯著提升，也讓測試實驗室能更有效因應研發部門提出的緊迫測試時程，提供更即時的支援。然而，Martin Seidelmann 與 Martin Roeckerath 博士並未因此停下腳步，而是持續著手提升系統效率。下一步，他們計畫不再由功率循環測試平台人工查詢溫度特性曲線，而是透過模組 ID，自動從中央資料庫擷取對應的溫度特性資料。Martin Seidelmann 表示：「這將再進一步提高 OEE。」 基於 PC-based 控制良好的使用經驗後，我們目前正在規劃另外兩套系統，每套系統有 24 個模組，其中一套將安裝在匈牙利的生產基地。
