申请/专利权人：合肥工业大学

申请日：2018-10-26

公开（公告）日：2021-02-09

公开（公告）号：CN109298309B

主分类号：G01R31/26(20140101)

分类号：G01R31/26(20140101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.09#授权;2019.03.01#实质审查的生效;2019.02.01#公开

摘要：基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置及方法。该装置包括供电模块、温度传感器模块、ADC模块、MCU模块、信息显示模块；温度传感器模块与ADC模块连接，ADC模块与MCU模块连接，MCU模块与信息显示模块连接。本发明还包括使用基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置对焊料层进行实时监测的方法。本发明通过通过温度梯度矩阵的变化量矩阵中元素的符号和导热角度定位焊料层老化的类型和位置，检测方法实现简单，不受环境温度变换影响，检测精度高，具有较好的实时性能，能在线检测焊料层空洞和裂纹状况。

主权项：1.对IGBT焊料层进行实时监测的方法，使用基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置对IGBT焊料层进行实时监测，所述基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置，包括供电模块、温度传感器模块、ADC模块、MCU模块、信息显示模块；所述供电模块用于给温度传感器模块、ADC模块、MCU模块和信息显示模块供电；温度传感器模块与ADC模块连接，ADC模块与MCU模块连接，MCU模块与信息显示模块连接；温度传感器模块对IGBT器件基板的温度进行测量；MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信息，ADC模块采集到的温度信息为模拟信号，ADC模块对采集的模拟信号进行处理，转换为数字信号传递给MCU模块；MCU模块对ADC模块传递过来的数字信号进行处理，判定焊料层状态，然后将焊料层状态，即裂纹的面积与位置、空洞的面积与位置，传递给信息显示模块进行实时显示；信息显示模块接收MCU模块传递过来的焊料层状态信息并实时进行显示；所述温度传感器模块包括至少两个热敏电阻，温度传感器模块的热敏电阻均匀布置于IGBT器件基板的上表面；对IGBT焊料层进行实时监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，启动ADC模块和MCU模块进行初始化，向MCU模块导入温度矫正初值的矩阵形式[T0]，通过MCU模块设定ADC模块的采样时间间隔△t和温度梯度矩阵变化界限值δ，MCU模块对每个热敏电阻在IGBT器件的基板上的位置、焊料层到基板的高度以及整个焊料层的面积进行记录；步骤2，在IGBT器件不工作时，MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信号，并将采集到的温度信号进行模数转换后传至MCU模块，MCU模块对从ADC模块传递过来的温度信号做小波滤波处理后与室内温度进行比较，若两温度一致，则说明能进行正常工作采样，转入步骤3；若不一致，则通过MCU对ADC模块内的采样算法进行调整，直至ADC模块采样并传至MCU模块的温度与室内温度一致，再转入步骤3；步骤3，在IGBT器件工作时，MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信号，并对采集到的温度信号做小波滤波处理后传至MCU模块，转入步骤4；步骤4，计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]，[T]为当前采样时刻所有热敏电阻测量温度的矩阵形式，[T0]表示温度矫正初值的矩阵形式；在IGBT器件工作时，若ADC模块的采样次数为两次以上，计算温度梯度矩阵[dT]时，[T0]用当前采样时刻的上一采样时刻的所有热敏电阻测量温度的矩阵形式替代；得到温度梯度矩阵[dT]后，转入步骤5；计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]的具体方法为：对于IGBT器件上的每一个热敏电阻，将当前采样时刻获得的采样温度减去上一采样时刻的温度值得到每一个热敏电阻的温度梯度，在IGBT器件工作时，对于ADC模块的第一次采样，上一采样时刻的温度值用温度矫正初值替代，将当前采样时刻获得的所有热敏电阻的温度梯度按照其在IGBT器件上的分布方式共同构成一个温度梯度矩阵；步骤5，计算温度梯度矩阵的变化量△t为采样时间间隔；计算得到温度梯度矩阵的变化量[△dT]后转入步骤6；步骤6，将温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素的绝对值均与预设的温度梯度矩阵变化界限值δ比较，对于温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素，存在元素大于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ时，则转入步骤7；当温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的绝对值均小于等于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ，则返回步骤3，重新进行采样；步骤7，当某一个热敏电阻的温度发生变化时，其临近的热敏电阻的温度也会发生相应的变化，对温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的符号进行判断；当IGBT器件焊料层出现裂纹时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板时温度会聚集到裂纹边缘，传热时的导热角度为45度，焊料层上的裂纹经热传导放大后在基板上形成一个矩形，此时，基板上矩形中的热敏电阻的温度变化量为正值，与基板上矩形中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为正值，且正值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为矩形；当IGBT器件焊料层出现空洞时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板，焊料层上的空洞经热传导放大后在基板上形成一个圆形，传热时的导热角度为45度，此时，基板上圆形中的热敏电阻的温度变化量为负值，与基板上圆环中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为负值，且负值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为圆形；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由正值元素构成的矩形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在裂纹，与构成矩形区域的正值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板上亦围成矩形，通过MCU获得IGBT器件的基板上矩形的中心位置和矩形的长度以及矩形的宽度，因为热传导角度为45度，所以焊料层上裂纹的长度＝基板上矩形的长度-焊料层到基板的高度×2，焊料层上裂纹的宽度＝基板上矩形的宽度-焊料层到基板的高度×2，基板上矩形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上裂纹的中心点，以获得的裂纹的中心点为中心，以获得的裂纹的长度和宽度在焊料层绘制矩形，焊料层上绘制的矩形的长边平行于基板上矩形的长边，焊料层上绘制的矩形的短边平行于基板上矩形的短边，焊料层上绘制矩形的面积即为裂纹的面积，焊料层上绘制矩形的位置处即为裂纹的位置；MCU模块计算裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受裂纹影响的健康状态；MCU模块将裂纹的面积和位置数据以及焊料层受裂纹影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由负值元素构成的圆形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在空洞，与构成圆形区域的负值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板上亦围成圆形，通过MCU获得IGBT器件的基板上圆形的中心位置和半径，因为热传导角度为45度，所以焊料层上空洞的半径＝基板上圆形的半径-焊料层到基板的高度，基板上圆形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上空洞的中心点，以获得的空洞的中心点为中心，空洞的半径在焊料层上绘制圆形，焊料层上绘制圆形的面积即为空洞的面积，焊料层上绘制圆形的位置即为空洞的位置；MCU模块计算空洞的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受空洞影响的的健康状态；MCU模块将孔洞的面积和位置数据以及焊料层受空洞影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；步骤7完成后转入步骤8；步骤8，结束。

全文数据：基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置及方法技术领域本发明涉一种基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置及方法，具体涉及绝缘栅双击晶体管IGBT的焊料层空洞和裂纹大小以及位置的实时诊断，主要运用于功率IGBT可靠性技术领域。背景技术绝缘栅双极晶体管IGBT结合了场效应管晶体管MOSFET和双极型晶体管BJT的优点，具有驱动简单、损耗低、耐高压等特点，得到了新能源、高铁航天等领域的广泛应用，在许多IGBT运用的场合，要求IGBT有较高的可靠性。近年来，随着IGBT使用的普及，IGBT的可靠性也变得越来越重要。IGBT老化失效已经被证明是温度循环下其失效的一种主要失效形式。在功率模块稳定的运行时，器件基本保持热稳定，结温的波动不大。但是，目前IGBT的运用环境越来越恶劣，其功率的波动也随之增大，导致了结温波动增大。IGBT是一种由七层材料堆叠起来的功率器件，而焊料层是其中最薄弱的环节。不同的层次之间由于热膨胀系数不同，导致了各层之间存在热应力，热应力会在各层之间产生机械损伤。结温的波动导致热应力增加，加速了焊料层的老化。申请号为201510037099.7，公开号为104573266A《一种基于三维建模的分析空洞对IGBT热可靠性影响的方法》发明了一种基于三维模型的IGBT空对温度热可靠性的评估方法。申请号为201510657533.1，公开号为105242189A《基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法》发明了一种基于射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态估计方法，可以通过测量射极饱和压降来实现IGBT焊料层健康诊断。上述方法中，均不能实时监测焊料层健康状态。发明内容本发明所要解决的问题是，克服目前技术的不足之处，提供一种基于温度梯度的基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置及方法，实现对IGBT器件的焊料层的裂纹和空洞的实时有效监控，准确性高。本发明解决问题采取的技术方案是：基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置，包括供电模块、温度传感器模块、ADC模块、MCU模块、信息显示模块；所述供电模块用于给温度传感器模块、ADC模块、MCU模块和信息显示模块供电。供电模块包括5V直流电压模块与3.3V直流电压模块，5V直流电压模块给信息显示模块和温度传感器模块供电，3.3V直流电压模块给MCU模块和ADC模块供电；温度传感器模块与ADC模块连接，ADC模块与MCU模块连接，MCU模块与信息显示模块连接；温度传感器模块对IGBT器件基板的温度进行测量；MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信息采集的温度信息可为IGBT器件基板的关键信息节点的温度，ADC模块采集到的温度信息为模拟信号，ADC模块对采集的模拟信号进行处理，转换为数字信号传递给MCU模块；MCU模块对ADC模块传递过来的数字信号进行处理，判定焊料层状态，然后将焊料层状态即裂纹的面积与位置、空洞的面积与位置传递给信息显示模块进行实时显示；信息显示模块接收MCU模块传递过来的焊料层状态信息并实时进行显示。ADC模块具有多路温度采集能力，MCU模块通过控制ADC模块对采样的顺序和通道进行控制。ADC模块通过接收MCU模块发出的指令对温度传感器模块的数据进行实时采集。进一步，所述温度传感器模块包括至少两个热敏电阻，用于对IGBT器件基板关键节点的温度进行测量。本发明中，温度传感器模块共包括16个热敏电阻。不失一般性，热敏电阻选择负温度系数电阻，型号为AYN-MF55-104F-3950FB-1500-28#，其温度测量范围为-30℃～105℃，满足不同环境温度下基板温度的测量。进一步，ADC模块宜为16通道的12位ADC模块，采样频率为20Hz。不失一般性，所述ADC模块可内置于MCU模块，如内置有ADC模块的MCU芯片TMS320F28235，其具有内置采样保持SH的12位ADC内核模拟输入，具有16个专用ADC通道。进一步，MCU模块内设有状态判别模块和状态显示告警模块。不失一般性，MCU模块可选用型号为TMS320F28235的DSP。进一步，温度传感器模块的热敏电阻均匀布置于IGBT器件基板的上表面，可均布于IGBT器件基板关键节点上。进一步，信息显示模块包括LED液晶屏和LED警告灯，LED液晶屏和LED警告灯均与MCU模块相连。不失一般性，LED液晶屏选用12864液晶屏，型号为KS0108LCD；LED警告灯选择发光二极管。使用如前所述基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置对焊料层进行实时监测的方法为：步骤1，启动ADC模块和MCU模块进行初始化，向MCU模块导入温度矫正初值的矩阵形式[T0]，通过MCU模块设定ADC模块的采样时间间隔△t和温度梯度矩阵变化界限值δ，MCU模块对每个热敏电阻在IGBT器件的基板上的位置、焊料层到基板的高度以及整个焊料层的面积进行记录；步骤2，在IGBT器件不工作时，MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信号，并将采集到的温度信号进行模数转换后传至MCU模块，MCU模块对从ADC模块传递过来的温度信号做小波滤波处理后与室内温度进行比较，若两温度一致，则说明能进行正常工作采样，转入步骤3；若不一致，则通过MCU对ADC模块内的采样算法进行调整，直至ADC模块采样并传至MCU模块的温度与室内温度一致，再转入步骤3；通过MCU对ADC模块内的采样算法进行调整为现有成熟技术；步骤3，在IGBT器件工作时，MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信号，并对采集到的温度信号做小波滤波处理后传至MCU模块，转入步骤4；步骤4，计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]，[T]为当前采样时刻所有热敏电阻测量温度的矩阵形式，[T0]表示温度矫正初值的矩阵形式；在IGBT器件工作时，若ADC模块的采样次数为两次以上，计算温度梯度矩阵[dT]时，[T0]用当前采样时刻的上一采样时刻的所有热敏电阻测量温度的矩阵形式替代；得到温度梯度矩阵[dT]后，转入步骤5；计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]的具体方法为：对于IGBT器件上的每一个热敏电阻，将当前采样时刻获得的采样温度减去上一采样时刻的温度值在IGBT器件工作时，对于ADC模块的第一次采样，上一采样时刻的温度值用温度矫正初值替代得到每一个热敏电阻的温度梯度，将当前采样时刻获得的所有热敏电阻的温度梯度按照其在IGBT器件上的分布方式共同构成一个温度梯度矩阵。如IGBT器件上设有16个热敏电阻，16个热敏电阻呈4行4列分布时，对于每一个热敏电阻，将当前采样时刻获得的采样温度减去上一采样时刻的温度值在IGBT器件工作时，对于ADC模块的第一次采样，上一采样时刻的温度值用温度矫正初值替代得到每一个热敏电阻的温度梯度，将当前采样时刻获得的16个热敏电阻的温度梯度按照其在IGBT器件上的分布方式即4行4列的分布方式共同构成一个4*4的温度梯度矩阵，每一个热敏电阻对应温度梯度矩阵中的一个元素如IGBT器件上第1行第1列的热敏电阻对应温度梯度矩阵中的第1行第1列的元素。步骤5，计算温度梯度矩阵的变化量△t为采样时间间隔；计算得到温度梯度矩阵的变化量[△dT]后转入步骤6；如IGBT器件上设有16个热敏电阻，16个热敏电阻呈4行4列分布时，如前所述温度梯度矩阵[dT]为一个4*4的矩阵，则温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]也为一个4*4的矩阵，每一个热敏电阻也对应温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的一个元素如IGBT器件上第1行第1列的热敏电阻对应温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的第1行第1列的元素。步骤6，将温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素的绝对值均与预设的温度梯度矩阵变化界限值δ比较，对于温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素，存在元素大于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ时，则转入步骤7；当温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的绝对值均小于等于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ，则返回步骤3，重新进行采样；如IGBT器件上设有16个热敏电阻，16个热敏电阻呈4行4列分布时，将温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]为一个4*4的矩阵中的每一个元素均与预设的温度梯度矩阵变化界限值δ比较。步骤7，当某一个热敏电阻的温度发生变化时，其临近的热敏电阻的温度也会发生相应的变化，对温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的符号进行判断；当IGBT器件焊料层出现裂纹时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板导热角度为45度时温度会聚集到裂纹边缘，焊料层上的裂纹经热传导放大后在基板上形成一个矩形，此时，基板上矩形中的热敏电阻的温度变化量为正值，与基板上矩形中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为正值，且正值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为矩形；当IGBT器件焊料层出现空洞时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板导热角度为45度时，焊料层上的空洞经热传导放大后在基板上形成一个圆形，此时，基板上圆形中的热敏电阻的温度变化量为负值，与基板上圆环中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为负值，且负值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为圆形；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由正值元素构成的矩形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在裂纹，与构成矩形区域的正值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板上亦围成矩形，通过MCU获得IGBT器件的基板上矩形的中心位置和矩形的长度以及矩形的宽度，因为热传导角度为45度，所以焊料层上裂纹的长度＝基板上矩形的长度-焊料层到基板的高度×2，焊料层上裂纹的宽度＝基板上矩形的宽度-焊料层到基板的高度×2，基板上矩形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上裂纹的中心点，以获得的裂纹的中心点为中心，以获得的裂纹的长度和宽度在焊料层绘制矩形，焊料层上绘制的矩形的长边平行于基板上矩形的长边，焊料层上绘制的矩形的短边平行于基板上矩形的短边，焊料层上绘制矩形的面积即为裂纹的面积，焊料层上绘制矩形的位置处即为裂纹的位置；MCU模块计算裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受裂纹影响的健康状态；MCU模块将裂纹的面积和位置数据以及焊料层受裂纹影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；MCU模块将裂纹的面积和位置数据以及焊料层受裂纹影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由负值元素构成的圆形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在空洞，与构成圆形区域的负值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板上亦围成圆形，通过MCU获得IGBT器件的基板上圆形的中心位置和半径，因为热传导角度为45度，所以焊料层上空洞的半径＝基板上圆形的半径-焊料层到基板的高度，基板上圆形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上空洞的中心点，以获得的空洞的中心点为中心，空洞的半径在焊料层上绘制圆形，焊料层上绘制圆形的面积即为空洞的面积，焊料层上绘制圆形的位置即为空洞的位置；MCU模块计算空洞的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受空洞影响的的健康状态；MCU模块将孔洞的面积和位置数据以及焊料层受空洞影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；步骤7完成后转入步骤8；步骤8，结束。进一步，所述步骤6在MCU模块中的状态判别模块中完成，步骤7在MCU模块中的状态显示告警模块中完成。进一步，所述步骤7中，MCU模块计算空洞的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受空洞影响的健康状态的具体方法为：当空洞的面积占整个焊料层面积的百分比≥20％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为危险状态，需对整个IGBT器件进行更换；当10％≤空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜20％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为不健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当5％≤空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜10％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为亚健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜5％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为健康状态，无需考虑对整个IGBT器件进行更换。进一步，所述步骤7中，MCU模块计算裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受裂纹影响的健康状态的具体方法为：当裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比≥10％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为危险状态，需对整个IGBT器件进行更换；当5％≤裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＜10％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为不健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当0％＜裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＜5％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为亚健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＝0％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为健康状态，无需考虑对整个IGBT器件进行更换。所述热敏电阻矩阵组可以将基板划分为不同区域，当每个区域是四个温度传感器围成的矩形区域时，16个传感器一共可以划分成9个区域。MCU模块选用DSP的自带的ADC模块且有16个采样通道，如果对测量的精确值要求较高，可以增加温度传感器数量和ADC通道数。与现有技术相比，本发明的优点如下：1本发明温度测量在IGBT的基板处，可以实现在线检测。2本发明通过MCU信号处理可以实现焊料层健康状态分析，通过温度梯度矩阵的变化量矩阵中元素的符号和导热角度，能够有效识别焊料层空洞和裂纹以及其大小，并定位空洞与裂纹的位置，对器件做出实时评估，避免对系统造成大的影响；3裂纹的测量与环境温度无关，只与温度梯度测量误差有关，准确性更高，具有较好的实时性能，能在线检测焊料层空洞和裂纹状况。附图说明图1为基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置的整体示意图；图2为温度传感器模块的结构示意图；图3为ADC模块与MCU模块的连接示意图；图4为MUC模块与信息显示模块的连接示意图；图5为温敏电阻在IGBT器件的基板上的布置示意图；图6为基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置的监测方法流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。IGBT芯片是功率器件的发热源，其热传导是从芯片经焊料层传递到基板U06，具有一定的导热角度，导热角度一般为45度。当焊料层存在缺陷的时候，会使芯片以下的各层的温度梯度发生变化。而焊料层缺陷的尺寸与温度的变化存在线性关系。参照图1，本发明基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置，包括供电模块U01、温度传感器模块U02、ADC模块U03、MCU模块U04、信息显示模块U05；供电模块U01用于对MCU模块U04、热电偶模块U02、ADC模块U03和显示模块U05进行供电，所述供电模块U01采取5V直流电压与3.3V直流电压供电，5V直流电压给信息显示模块U05和热电偶模块U02供电，3.3V直流电压给MCU模块U04和ADC模块U03供电；温度传感器模块U02与ADC模块U03连接，ADC模块U03与MCU模块U04连接，MCU模块U04与信息显示模块U05连接；温度传感器模块U02对IGBT器件基板U06的温度进行测量；MCU模块U04发出采样指令至ADC模块U03，ADC模块U03接收采样指令，ADC模块U03从温度传感器模块采集温度信息采集的温度信息可为IGBT器件基板的关键信息节点的温度，ADC模块U03采集到的温度信息为模拟信号，ADC模块U03对采集的模拟信号进行处理，转换为数字信号传递给MCU模块U04；MCU模块U04对ADC模块U03传递过来的数字信号进行处理，判定焊料层状态即裂纹的面积与位置、空洞的面积与位置，然后将焊料层状态传递给显示模块U05进行实时显示；显示模块U05接收MCU模块U04传递过来的焊料层状态信息并实时进行显示。ADC模块具有多路温度采集能力。MCU模块通过控制ADC模块对热电偶模块U02采样的顺序和通道进行控制。ADC模块U03通过接收MCU模块U04发出的指令对温度传感器模块U02的数据进行实时采集。参照图2，热电偶模块U02包括16个热敏电阻U021。温度传感器模块的16个热敏电阻U021均匀布置于IGBT器件基板的上表面参照图5，可均布于IGBT器件基板关键节点上。不失一般性，热敏电阻选择负温度系数NTC电阻，型号为AYN-MF55-104F-3950FB-1500-28#。参照图3，焊料层实时监测装置中的ADC模块U03采用16通道的12位ADC模块，不失一般性这里选择MCU中内置ADC模块。参照图3，焊料层实时监测装置的MCU模块内设有状态判别模块U041，以及状态显示告警模块U042。不失一般性，MCU模块可选用型号为TMS320F28235的DSP。参照图4，信息显示模块U05包括LED液晶屏U051和LED警告灯U052，LED液晶屏U051和LED警告灯U052均与MCU模块U04相连。不失一般性，LED液晶屏U051选用12864液晶屏，型号为KS0108LCD；LED报警灯选择发光二极管。使用如前所述基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置进行实时监测的方法为：步骤1，启动ADC模块U03和MCU模块U04进行初始化，向MCU模块U04导入温度矫正初值的矩阵形式[T0]，通过MCU模块U04设定ADC模块U03的采样时间间隔△t和温度梯度矩阵变化界限值δ，MCU模块U04对每个热敏电阻U021在IGBT器件的基板U06上的位置、焊料层到基板U06的高度以及整个焊料层的面积进行记录；步骤2，在IGBT器件不工作时，MCU模块U04发出采样指令至ADC模块U03，ADC模块U03接收采样指令，ADC模块U03从温度传感器模块U02采集温度信号，并将采集到的温度信号进行模数转换后传至MCU模块U04，MCU模块U04对从ADC模块U03传递过来的温度信号做小波滤波处理后与室内温度进行比较，若两温度一致，则说明能进行正常工作采样，转入步骤3；若不一致，则通过MCU模块U04对ADC模块U03内的采样算法进行调整，直至ADC模块U03采样并传至MCU模块U04的温度与室内温度一致，再转入步骤3；通过MCU模块U04对ADC模块U03内的采样算法进行调整为现有成熟技术；步骤3，在IGBT器件工作时，MCU模块U04发出采样指令至ADC模块U03，ADC模块U03接收采样指令，ADC模块U03从温度传感器模块U02采集温度信号，并对采集到的温度信号做小波滤波处理后传至MCU模块U04，转入步骤4；步骤4，计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]，[T]为当前采样时刻所有热敏电阻U021测量温度的矩阵形式，[T0]表示温度矫正初值的矩阵形式；在IGBT器件工作时，若ADC模块U03的采样次数为两次以上，计算温度梯度矩阵[dT]时，[T0]用当前采样时刻的上一采样时刻的所有热敏电阻测量温度的矩阵形式替代；得到温度梯度矩阵[dT]后，转入步骤5；计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]的具体方法为：对于IGBT器件上的每一个热敏电阻U021，将当前采样时刻获得的采样温度减去上一采样时刻的温度值在IGBT器件工作时，对于ADC模块的第一次采样，上一采样时刻的温度值用温度矫正初值替代得到每一个热敏电阻的温度梯度，将当前采样时刻获得的所有热敏电阻U021的温度梯度按照其在IGBT器件上的分布方式共同构成一个温度梯度矩阵。如IGBT器件上设有16个热敏电阻U021，16个热敏电阻U021呈4行4列分布时，对于每一个热敏电阻U021，将当前采样时刻获得的采样温度减去上一采样时刻的温度值在IGBT器件工作时，对于ADC模块的第一次采样，上一采样时刻的温度值用温度矫正初值替代得到每一个热敏电阻U021的温度梯度，将当前采样时刻获得的16个热敏电阻U021的温度梯度按照其在IGBT器件上的分布方式即4行4列的分布方式共同构成一个4*4的温度梯度矩阵，每一个热敏电阻U021对应温度梯度矩阵中的一个元素如IGBT器件上第1行第1列的热敏电阻对应温度梯度矩阵中的第1行第1列的元素。步骤5，计算温度梯度矩阵的变化量△t为采样时间间隔；计算得到温度梯度矩阵的变化量[△dT]后转入步骤6；如IGBT器件上设有16个热敏电阻U021，16个热敏电阻U021呈4行4列分布时，如前所述温度梯度矩阵[dT]为一个4*4的矩阵，则温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]也为一个4*4的矩阵，每一个热敏电阻U021也对应温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的一个元素如IGBT器件上第1行第1列的热敏电阻对应温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的第1行第1列的元素。步骤6，将温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素的绝对值均与预设的温度梯度矩阵变化界限值δ比较，对于温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素，存在元素大于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ时，则转入步骤7；当温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的绝对值均小于等于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ，则返回步骤3，重新进行采样；如IGBT器件上设有16个热敏电阻U021，16个热敏电阻U021呈4行4列分布时，将温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]为一个4*4的矩阵中的每一个元素均与预设的温度梯度矩阵变化界限值δ比较。步骤7，当某一个热敏电阻U021的温度发生变化时，其临近的热敏电阻U021的温度也会发生相应的变化，对温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的符号进行判断；当IGBT器件焊料层出现裂纹时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板导热角度为45度时温度会聚集到裂纹边缘，焊料层上的裂纹经热传导放大后在基板U06上形成一个矩形，此时，基板U06上矩形中的热敏电阻的温度变化量为正值，与基板U06上矩形中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为正值，且正值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为矩形；当IGBT器件焊料层出现空洞时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板U06导热角度为45度时，焊料层上的空洞经热传导放大后在基板上形成一个圆形，此时，基板上圆形中的热敏电阻的温度变化量为负值，与基板U06上圆环中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为负值，且负值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为圆形；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由正值元素构成的矩形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在裂纹，与构成矩形区域的正值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板U06上亦围成矩形，通过MCU模块U04获得IGBT器件的基板U06上矩形的中心位置和矩形的长度以及矩形的宽度，因为热传导角度为45度，所以焊料层上裂纹的长度＝基板上矩形的长度-焊料层到基板的高度×2，焊料层上裂纹的宽度＝基板上矩形的宽度-焊料层到基板的高度×2，基板上矩形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上裂纹的中心点，以获得的裂纹的中心点为中心，以获得的裂纹的长度和宽度在焊料层绘制矩形，焊料层上绘制的矩形的长边平行于基板上矩形的长边，焊料层上绘制的矩形的短边平行于基板上矩形的短边，焊料层上绘制矩形的面积即为裂纹的面积，焊料层上绘制矩形的位置处即为裂纹的位置；MCU模块U04计算裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受裂纹影响的健康状态；MCU模块U04将裂纹的面积和位置数据以及焊料层受裂纹影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；MCU模块U04将裂纹的面积和位置数据以及焊料层受裂纹影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由负值元素构成的圆形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在空洞，与构成圆形区域的负值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板上亦围成圆形，通过MCU模块U04获得IGBT器件的基板上圆形的中心位置和半径，因为热传导角度为45度，所以焊料层上空洞的半径＝基板上圆形的半径-焊料层到基板的高度，基板上圆形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上空洞的中心点，以获得的空洞的中心点为中心，空洞的半径在焊料层上绘制圆形，焊料层上绘制圆形的面积即为空洞的面积，焊料层上绘制圆形的位置即为空洞的位置；MCU模块U04计算空洞的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受空洞影响的的健康状态；MCU模块U04将孔洞的面积和位置数据以及焊料层受空洞影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；步骤7完成后转入步骤8；步骤8，结束。所述步骤6在MCU模块U04中的状态判别模块中完成，步骤7在MCU模块U04中的状态显示告警模块中完成。所述步骤7中，MCU模块U04计算空洞的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受空洞影响的健康状态的具体方法为：当空洞的面积占整个焊料层面积的百分比≥20％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为危险状态，需对整个IGBT器件进行更换；当10％≤空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜20％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为不健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当5％≤空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜10％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为亚健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜5％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为健康状态，无需考虑对整个IGBT器件进行更换。进一步，所述步骤7中，MCU模块U04计算裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受裂纹影响的健康状态的具体方法为：当裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比≥10％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为危险状态，需对整个IGBT器件进行更换；当5％≤裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＜10％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为不健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当0％＜裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＜5％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为亚健康状态，用户可根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＝0％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为健康状态，无需考虑对整个IGBT器件进行更换。需要指出的是，在本文中，诸如上、下之类的关系术语仅仅用来表示将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他变体意在涵盖非排他性的包含。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

权利要求：1.基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置，其特征在于，包括供电模块、温度传感器模块、ADC模块、MCU模块、信息显示模块；所述供电模块用于给温度传感器模块、ADC模块、MCU模块和信息显示模块供电；温度传感器模块与ADC模块连接，ADC模块与MCU模块连接，MCU模块与信息显示模块连接；温度传感器模块对IGBT器件基板的温度进行测量；MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信息，ADC模块采集到的温度信息为模拟信号，ADC模块对采集的模拟信号进行处理，转换为数字信号传递给MCU模块；MCU模块对ADC模块传递过来的数字信号进行处理，判定焊料层状态，然后将焊料层状态，即裂纹的面积与位置、空洞的面积与位置，传递给信息显示模块进行实时显示；信息显示模块接收MCU模块传递过来的焊料层状态信息并实时进行显示。2.根据权利要求1所述的基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置，其特征在于，所述温度传感器模块包括至少两个热敏电阻，温度传感器模块的热敏电阻均匀布置于IGBT器件基板的上表面。3.根据权利要求1或2所述的基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置，其特征在于，信息显示模块包括LED液晶屏和LED警告灯，LED液晶屏和LED警告灯均与MCU模块相连。4.使用如权利要求1-3任一项所述基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置对焊料层进行实时监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，启动ADC模块和MCU模块进行初始化，向MCU模块导入温度矫正初值的矩阵形式[T0]，通过MCU模块设定ADC模块的采样时间间隔△t和温度梯度矩阵变化界限值δ，MCU模块对每个热敏电阻在IGBT器件的基板上的位置、焊料层到基板的高度以及整个焊料层的面积进行记录；步骤2，在IGBT器件不工作时，MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信号，并将采集到的温度信号进行模数转换后传至MCU模块，MCU模块对从ADC模块传递过来的温度信号做小波滤波处理后与室内温度进行比较，若两温度一致，则说明能进行正常工作采样，转入步骤3；若不一致，则通过MCU对ADC模块内的采样算法进行调整，直至ADC模块采样并传至MCU模块的温度与室内温度一致，再转入步骤3；步骤3，在IGBT器件工作时，MCU模块发出采样指令至ADC模块，ADC模块接收采样指令，ADC模块从温度传感器模块采集温度信号，并对采集到的温度信号做小波滤波处理后传至MCU模块，转入步骤4；步骤4，计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]，[T]为当前采样时刻所有热敏电阻测量温度的矩阵形式，[T0]表示温度矫正初值的矩阵形式；在IGBT器件工作时，若ADC模块的采样次数为两次以上，计算温度梯度矩阵[dT]时，[T0]用当前采样时刻的上一采样时刻的所有热敏电阻测量温度的矩阵形式替代；得到温度梯度矩阵[dT]后，转入步骤5；计算温度梯度矩阵[dT]＝[T]-[T0]的具体方法为：对于IGBT器件上的每一个热敏电阻，将当前采样时刻获得的采样温度减去上一采样时刻的温度值得到每一个热敏电阻的温度梯度，在IGBT器件工作时，对于ADC模块的第一次采样，上一采样时刻的温度值用温度矫正初值替代，将当前采样时刻获得的所有热敏电阻的温度梯度按照其在IGBT器件上的分布方式共同构成一个温度梯度矩阵；步骤5，计算温度梯度矩阵的变化量△t为采样时间间隔；计算得到温度梯度矩阵的变化量[△dT]后转入步骤6；步骤6，将温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素的绝对值均与预设的温度梯度矩阵变化界限值δ比较，对于温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的每一个元素，存在元素大于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ时，则转入步骤7；当温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的绝对值均小于等于预设的温度梯度矩阵变化界限值δ，则返回步骤3，重新进行采样；步骤7，当某一个热敏电阻的温度发生变化时，其临近的热敏电阻的温度也会发生相应的变化，对温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的所有元素的符号进行判断；当IGBT器件焊料层出现裂纹时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板时温度会聚集到裂纹边缘，传热时的导热角度为45度，焊料层上的裂纹经热传导放大后在基板上形成一个矩形，此时，基板上矩形中的热敏电阻的温度变化量为正值，与基板上矩形中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为正值，且正值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为矩形；当IGBT器件焊料层出现空洞时，IGBT器件的芯片经焊料层传热到IGBT器件基板，焊料层上的空洞经热传导放大后在基板上形成一个圆形，传热时的导热角度为45度，此时，基板上圆形中的热敏电阻的温度变化量为负值，与基板上圆环中的热敏电阻对应的温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中的元素也为负值，且负值元素在温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中围成的形状也为圆形；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由正值元素构成的矩形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在裂纹，与构成矩形区域的正值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板上亦围成矩形，通过MCU获得IGBT器件的基板上矩形的中心位置和矩形的长度以及矩形的宽度，因为热传导角度为45度，所以焊料层上裂纹的长度＝基板上矩形的长度-焊料层到基板的高度×2，焊料层上裂纹的宽度＝基板上矩形的宽度-焊料层到基板的高度×2，基板上矩形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上裂纹的中心点，以获得的裂纹的中心点为中心，以获得的裂纹的长度和宽度在焊料层绘制矩形，焊料层上绘制的矩形的长边平行于基板上矩形的长边，焊料层上绘制的矩形的短边平行于基板上矩形的短边，焊料层上绘制矩形的面积即为裂纹的面积，焊料层上绘制矩形的位置处即为裂纹的位置；MCU模块计算裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受裂纹影响的健康状态；MCU模块将裂纹的面积和位置数据以及焊料层受裂纹影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；MCU模块将裂纹的面积和位置数据以及焊料层受裂纹影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；若温度梯度矩阵的变化量矩阵[△dT]中，存在由负值元素构成的圆形区域时，则判定IGBT器件的焊料层上存在空洞，与构成圆形区域的负值元素对应的热敏电阻在IGBT器件的基板上亦围成圆形，通过MCU获得IGBT器件的基板上圆形的中心位置和半径，因为热传导角度为45度，所以焊料层上空洞的半径＝基板上圆形的半径-焊料层到基板的高度，基板上圆形的中心点正投影在焊料层上的点即为焊料层上空洞的中心点，以获得的空洞的中心点为中心，空洞的半径在焊料层上绘制圆形，焊料层上绘制圆形的面积即为空洞的面积，焊料层上绘制圆形的位置即为空洞的位置；MCU模块计算空洞的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受空洞影响的的健康状态；MCU模块将孔洞的面积和位置数据以及焊料层受空洞影响的健康状态传递至显示模块进行显示和告警；步骤7完成后转入步骤8；步骤8，结束。5.根据权利要求4所述使用基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置对焊料层进行实时监测的方法，其特征在于，所述步骤7中，MCU模块计算空洞的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受空洞影响的健康状态的具体方法为：当空洞的面积占整个焊料层面积的百分比≥20％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为危险状态，需对整个IGBT器件进行更换；当10％≤空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜20％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为不健康状态，用户根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当5％≤空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜10％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为亚健康状态，用户根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当空洞的面积占整个焊料层面积的百分比＜5％时，则得出焊料层受空洞影响的健康状态为健康状态，无需考虑对整个IGBT器件进行更换。6.根据权利要求4或5所述使用基于温度梯度的IGBT焊料层状态实时监测装置对焊料层进行实时监测的方法，其特征在于，所述步骤7中，MCU模块计算裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比，得出焊料层受裂纹影响的健康状态的具体方法为：当裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比≥10％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为危险状态，需对整个IGBT器件进行更换；当5％≤裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＜10％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为不健康状态，用户根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当0％＜裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＜5％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为亚健康状态，用户根据实际需要选择是否需对整个IGBT器件进行更换；当裂纹的面积占整个焊料层面积的百分比＝0％时，则得出焊料层受裂纹影响的健康状态为健康状态，无需考虑对整个IGBT器件进行更换。

百度查询： 合肥工业大学 对IGBT焊料层进行实时监测的方法

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