一种功率器件吸湿曲线在线测量装置及方法与流程

本发明涉及电力电子器件可靠性测试与环境适应性评价，尤其是涉及一种功率器件吸湿曲线在线测量装置及方法。

背景技术：

1、功率半导体器件广泛应用于海上风电、柔性直流输电、高功率变流器及新能源发电等领域，在实际服役过程中，器件常处于高温、高湿、高压、盐雾等复杂环境耦合作用下，湿气可通过器件外壳、封装材料及界面逐步侵入器件内部，进而引发绝缘性能下降、界面剥离、电化学腐蚀以及可靠性退化等问题，最终影响器件的服役寿命和系统运行稳定性，尤其是在沿海、高湿、强腐蚀等工况下，湿度入侵已成为影响功率器件环境适应性和长期可靠性的重要因素之一。

2、目前，为研究功率器件外壳、封装件或相关材料样品在恒温恒湿环境下的吸湿特性，通常采用人工间断称重的方法获取吸湿曲线。具体方式为：先将待测样品置于双85或其他恒温恒湿环境中进行吸湿试验，再按照预设时间间隔将样品从环境箱内取出，利用电子天平进行称量，最后根据各时刻的质量变化绘制质量-时间曲线，并据此分析样品的吸湿速率、平衡吸湿量及扩散行为。

3、然而，上述方法在实际应用中仍存在明显不足：其一，样品在试验过程中需要反复从恒温恒湿环境中取出称量，容易引起环境箱内部温度和湿度波动，破坏原有稳定边界条件；其二，样品在取出、转移和称量过程中易受外界空气扰动、温差变化、表面冷凝以及人为操作误差影响，导致称量结果一致性较差；其三，现有方法属于间断式测量，难以获得完整连续的吸湿曲线，尤其难以准确表征吸湿初期的快速变化过程；其四，试验自动化程度较低，人工工作量较大，测试效率不高，也不利于后续吸湿规律分析及相关模型参数拟合。

4、此外，目前少部分尝试实现在线称重的装置，如采用天平同轴垂直向下悬吊的承载结构，在实际应用于功率器件测试时仍面临严峻的技术瓶颈：首先，功率器件可靠性测试需要环境箱内开启循环鼓风以维持大空间内的温湿度均匀，传统的柔性同轴悬吊结构极易受箱内横向风载扰动而产生类似钟摆的晃动，导致高精度称量失准；其次，将天平直接置于箱体正上方孔洞处，传感器极易受到逸出的顶部热辐射与湿气干扰，产生温漂效应；最后，简单的悬吊式托盘难以稳固承载自重较大且形状极不规则的功率器件外壳或封装件，极易发生重心偏移或倾斜。

5、经检索，中国专利公开号cn110595936a公开了一种充湿条件下复合材料湿膨胀系数的测试装置及方法，该方案通过在真空罐内设置石英杆悬吊试样，并利用载荷传感器和位移传感器分别测试试样在恒湿环境下的质量变化和长度变化，从而获得复合材料的湿膨胀系数。然而，该方案采用石英杆悬吊方式承载试样，载荷传感器直接固定于石英杆顶端且整体置于真空罐内，其称重原理为悬吊式称量，对于自重较大且形状不规则的功率器件样品而言，悬吊结构极易因样品重心偏移而产生偏心弯矩，导致传感器承受横向分力，影响称量精度；其载荷传感器虽位于上部干燥气室，但传感器与充湿环境室之间依靠密闭隔热层和干燥气流维持隔离，在长期充湿测试过程中仍存在湿气沿石英杆间隙向上迁移、干扰传感器精度的潜在隐患；此外，该方案的测试环境为密闭真空罐，通过充入微量恒湿空气实现充湿，难以适应循环鼓风工况，无法满足功率器件实际测试的工程需求。

6、因此，如何在不破坏恒温恒湿试验环境的前提下，有效抵抗循环鼓风干扰与热湿温漂影响，实现对不规则功率器件样品的稳固承载与吸湿过程连续在线测量，是需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种功率器件吸湿曲线在线测量装置及方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种功率器件吸湿曲线在线测量装置，其特征在于，包括：

4、恒温恒湿环境箱，用于提供恒温恒湿试验环境；

5、称重单元，设置于所述恒温恒湿环境箱的外部，用于实时获取待测样品的质量变化信号；

6、刚性力传递杆，穿过所述恒温恒湿环境箱的壁面，一端伸入所述环境箱内部，另一端连接至所述称重单元，用于将待测样品的质量变化传递至箱外的称重单元；

7、导向套，固定设置于所述恒温恒湿环境箱上并套设于所述刚性力传递杆外侧，用于限制所述力传递杆的横向偏移；

8、密封组件，设置于所述刚性力传递杆与所述恒温恒湿环境箱的穿设位置处，用于在允许所述力传递杆垂直位移的同时维持所述环境箱的密封性；

9、三点托盘式测试工装，设置于所述恒温恒湿环境箱内部，与所述刚性力传递杆的伸入端连接，用于固定和承托待测样品。

10、作为优选的技术方案，所述三点托盘式测试工装包括三点托盘和设置于所述三点托盘上的接触垫块，所述待测样品通过所述接触垫块放置于所述三点托盘上。

11、作为优选的技术方案，所述三点托盘式测试工装还包括箱内固定框架、样品夹持机构和连接件；

12、所述箱内固定框架固定于所述恒温恒湿环境箱内部，用于对所述样品夹持机构进行导向和水平定位；所述三点托盘通过所述连接件和所述样品夹持机构与所述刚性力传递杆连接，以形成将待测样品的重量变化传递至所述称重单元的唯一传力路径。

13、作为优选的技术方案，所述接触垫块由聚四氟乙烯、聚醚醚酮或聚苯硫醚材料制成。

14、作为优选的技术方案，所述称重单元在水平方向上偏置于所述刚性力传递杆穿出所述恒温恒湿环境箱壁面的位置。

15、作为优选的技术方案，所述刚性力传递杆上还设有限制其过行程位移的机械限位件。

16、作为优选的技术方案，所述密封组件为柔性密封组件，所述柔性密封组件的一端密封连接于恒温恒湿环境箱壁面，另一端密封连接于所述刚性力传递杆。

17、作为优选的技术方案，所述装置还包括温湿度监测模块，所述温湿度监测模块设置于所述恒温恒湿环境箱内部，用于同步采集环境箱内部的温度和湿度参数。

18、作为优选的技术方案，所述装置还包括数据采集模块和数据处理单元；

19、所述数据采集模块分别与所述称重单元和所述温湿度监测模块信号连接，用于对所述称重单元输出的质量信号以及所述温湿度监测模块输出的温湿度信号进行信号调理、模数转换、数据采集和缓存；

20、所述数据处理单元具体为上位机，与所述数据采集模块通信连接，用于接收所述数据采集模块传输的质量信号和温湿度信号，并根据接收到的质量信号和温湿度信号绘制质量-时间曲线、吸湿增量曲线和吸湿速率曲线，计算平衡吸湿量，同时对所述恒温恒湿环境箱的温度和湿度参数进行设定和调节。

21、根据本发明的第二方面，提供了一种基于所述装置的功率器件吸湿曲线在线测量方法，包括：

22、将待测样品放置于所述三点托盘式测试工装上，并记录初始质量；

23、设定所述恒温恒湿环境箱的目标温度和目标湿度，使所述待测样品在恒温恒湿条件下吸湿；

24、吸湿过程中，所述待测样品的质量变化依次经所述三点托盘式测试工装和所述刚性力传递杆传递至所述称重单元，所述称重单元实时输出质量信号；所述导向套在传递过程中限制所述刚性力传递杆的横向偏移；

25、数据处理单元同步接收所述质量信号以及环境箱内的温湿度信号，经处理后生成连续的吸湿曲线，并根据所述吸湿曲线计算吸湿增量、吸湿速率和平衡吸湿量。

26、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

27、1、本发明通过将称重单元设置于恒温恒湿环境箱外部，配合穿过箱壁的刚性力传递杆和密封组件，在不破坏环境箱密封性的前提下实现了样品质量变化的实时连续传递与测量，无需反复开箱取样，避免了传统方法中环境扰动、人工误差及测量不连续的问题。

28、2、本发明通过刚性力传递杆与导向套的配合，利用刚性杆自身的高抗弯刚度有效抵抗了环境箱内循环鼓风产生的横向风载扰动，同时导向套对力传递杆的横向偏移进行限位，消除了传统柔性悬吊结构易发生的钟摆晃动现象，保障了循环鼓风条件下高精度称量的稳定性。

29、3、本发明通过将称重单元外置于环境箱外部，使称重传感器脱离高温高湿环境，消除了热湿干扰引起的传感器温漂效应；同时，称重单元在水平方向上偏置于力传递杆穿出箱壁的位置，避免了穿孔处逸出气流对传感器的直接冲击，进一步提高了称量的长期稳定性。

30、4、本发明通过三点托盘式测试工装对待测样品进行静定承载，消除了多点支撑过约束导致的受力不均问题，有效避免了功率器件样品因自重较大、形状不规则而易发生的重心偏移和倾斜问题，提高了连续称量的稳定性和可靠性。

31、5、本发明通过称重单元、温湿度监测模块、数据采集模块与数据处理单元的协同配合，实现了质量信号与环境参数的同步采集和实时处理，能够生成完整连续的吸湿曲线并自动计算吸湿速率和平衡吸湿量，提高了试验自动化程度和数据分析效率。