电力电子器件机械应力波的试验研究

李孟川　孟志强　胡毅　王俊　何泽　邹翔　焦文豪　欧阳红林

摘   要：通过测试电路与数字滤波技术，探究了一种电力电子器件关断机械应力波的测量方法;通过信号处理与频谱分析得到了机械应力波的时域和频域特征参数，如幅值、峰峰值、峰值频率和频率范围.研究结果表明：合理设置采样阈值和阻带频率能够测量机械应力波;IKW40T120型IGBT器件在关断40 A电流时，关断机械应力波的幅值为5.2 mV、峰峰值为9.6 mV，时域波形约持续100 μs且振幅衰减，其幅值频谱明显存在3个频率段，分别为20～100 kHz、150～200 kHz和290～310 kHz，每个频率段具有1个峰值频率点，分别为54 kHz、163 kHz和299 kHz，几乎呈现1倍、3倍、5倍频关系，三峰值频率点对应的峰值差异较大，分别为1.24 mV、0.69 mV和0.36 mV.

关键词：电力电子器件;关断过程;机械应力波;状态监测;可靠性

中图分类号：TN32;TB52                    文献标志码：A

Experimental Study of Mechanical Stress Wave

in Power Electronics Device

LI Mengchuan1，MENG Zhiqiang1，HU Yi1，WANG Jun1，HE Yunze1，2，

ZOU Xiang1，JIAO Wenhao1，OUYANG Honglin1

（1. College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Fujian Province University Key Laboratory of Nondestructive Testing，Fuqing Branch

of Fujian Normal University，Fuqing 350300，China）

Abstract：This paper studied a method for measuring the mechanical stress wave in power electronic device by means of test circuit and digital filtering technology. Time domain and frequency domain characteristic parameters of mechanical stress wave，such as amplitude，peak-to-peak，peak frequency，and frequency range，were obtained through signal processing and spectrum analysis. The research results show that the mechanical stress wave can be measured by setting the sampling threshold and stopping the band frequency reasonably. When a current of 40 A in IKW40T120 IGBT device is turned off，the mechanical stress wave continues to decay for 100 μs，and its amplitude and peak-to-peak value are 5.2 mV and 9.6 mV，respectively. The amplitude spectrum clearly has three frequency segments that are 20～100 kHz，150～200 kHz and 290～310 kHz. Each frequency segment has one peak frequency point，which is 54 kHz，163 kHz and 299 kHz，respectively，showing almost 1，3 and 5 octave relationship. The peaks corresponding to three peak frequency points differ greatly，which are 1.24 mV，0.69 mV and 0.36 mV，respectively.

Key words：power electronics device;turn-off process;mechanical stress wave;condition monitoring;reliability

电力电子器件和模块在电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网等领域得到了广泛的应用，对国民经济发展起着重要作用[1].电力电子器件和模块发生故障或性能退化，会对电力系统和使用电力电子设备的系统正常运行构成危害，并带来巨大的经济损失.因此，高效、简洁、实时的电力电子器件与模块状态监测技术是保障电力电子设备可靠性的重要方式.近年来，电力电子设备应用的迅猛发展对检测技术提出了一些特殊的要求，主要体现为快速检测[2]、非侵入式检测[3]、实时在线检测[4]方面.

国内外专家和学者越来越重视电力电子器件和模块的可靠性研究，对器件和模块的状态监测开展了大量的研究，研究成果主要集中在电力电子器件内部电、磁、热应力信息特征参数的提取.电应力信息的提取方法包括直接提取法和间接提取法[5]，直接提取法[6-7]是直接检测电力电子器件关键位置的电压或者电流值，实现截压、截流控制及过压、过流保护，不能评估电力电子器件和模块的状态，特别是老化问题，且器件越多，所需要的檢测点越多，使实际电路较为复杂;间接提取法[8]对测量的电信号进行数据处理，利用处理后的信号判断电力电子器件的故障状态，该方法数据处理方式复杂，不利于硬件实现，大部分工作尚处于仿真阶段.磁应力信息的提取方法[9-10]利用巨磁阻效应，借助内埋于器件和模块内部的巨磁阻磁场传感器以及磁场信号来获取电流和温度信号，检测效果高度依赖于激励频率并且需要改造器件和模块的内部结构.热应力信息的提取方法包含光学非接触式测量法、物理接触式测量法、热敏感电参数法、热阻抗模型法等[11].其中，光学非接触测量法[12]一般采用红外热像仪来测量器件和模块内部的结温，需要打开器件和模块的封装，难以实现在线检测;物理接触式测量法[13]通常在器件和模块内部预埋热敏电阻来测温，响应速度慢，需要改变器件和模块的结构;热敏感电参数提取法[14- 15]利用与电力电子器件结温密切相关的电学特性来间接测量器件的结温，不适用于对结温要求精确测量的场合;热阻抗模型预测法[16]通过仿真技术，利用器件的功耗和热阻模型来计算芯片的结温，只能预测器件正常工作状态下的结温变化，不能反映器件老化带来的测量误差.上述方法难以同时满足快速、非侵入和实时在线检测的需求，不利于保障和提升电力电子器件与模块的可靠性.

声发射是材料内局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象，声发射信号能够表征材料的缺陷和物理特性[17]，因而可以用来评判发射源的状态.声发射检测技术具有快速、非侵入式和实时在线检测等特点，在石油、化工、电力和航空航天等领域得到了广泛的研究和应用[18].电力系统及新能源发电系统是声发射检测技术的一个主要应用领域，如绝缘子污秽放电检测[19]、高压电气设备局部放电检测[20]、风机叶片健康状态检测[21].

国外学者在近几年内提出并开展了基于声发射检测技术的电力电子器件与模块状态监测的研究，寄希望于探索电力电子器件与模块在关断和短路故障时出现声发射信号（本文中称为“机械应力波”）的机理，探索一种能够快速、非侵入、可靠监测电力电子器件与模块状态的在线实时检测方法.芬兰拉普兰塔理工大学K？覿rkk？覿inenal等人[22]利用测试电路和声发射传感器检测了绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件关断过程产生的机械应力波，通过机械应力波传播时延与传感器和功率模块间距离的关系，证明了机械应力波信号来自IGBT器件内部;K？覿rkk？覿inenal等人[23]通过短路测试电路和声发射传感器探测到IGBT器件门-射极短路和集-射极短路时出现的机械应力波，发现了两种与短路失效模式相关的机械应力波;德国开姆尼茨工业大学Muller等人[24]根据IGBT模块关断过程能够产生机械应力波这一现象，借助功率循环测试电路和声发射测量系统，提取了IGBT模块老化时产生的机械应力波，发现IGBT模块的性能退化使关断机械应力波在50～150 kHz频率范围内幅值变小.可以看出，机械应力波能够有效反映电力电子器件与模块内部的相关状态，具有进一步研究的意义与价值.

本文通过测试电路与数字滤波技术，探究了电力电子器件关断机械应力波的测量方法，获取了IGBT器件关断过程产生的机械应力波;通过信号处理与频谱分析得到了相应机械应力波的时域和频域特征参数，进一步验证了IGBT器件的关断过程能够产生机械应力波这一现象，为后续电力电子器件机械应力波的产生机理研究奠定了试验基础.

1   试验设计

1.1   试验机理

IGBT是双极性功率器件，电子和空穴同时参与导电.关断过程中，空穴和电子从漂移区内抽出，使空穴电流和电子电流同时减小并相互作用，引起IGBT器件内部电磁相互作用并产生电磁应力（安培力或洛伦兹力），使IGBT芯片出现机械振动，这种机械振动可能成为IGBT器件关断时的声发射源.                 1.2   机械应力波的状态监测方法

基于机械应力波的电力电子器件与模块的状态监测方法如图1所示，使用声发射测量仪和由压电声发射传感器与前置放大电路构成的测试电路获取电力电子器件和模块的机械应力波，使用频谱分析、数字滤波等信号处理技术提取机械应力波的特征参数，采用人工神经网络等智能方法建立特征参数与器件和模块状态的对应关系，利用这些对应关系反演电力电子器件和模块的状态，评估电力电子器件和模块的性能.本试验旨在提取电力电子器件的关断机械应力波，获取其特征参数.

1.3   测试电路和试验装置

测试电路如图2（a）所示，由DC100 V直流电源、储能电容、负载电感、IGBT器件和快恢复二极管FRD组成.IGBT测试器件的型号为IKW40T120，额定工作电压1 200 V，额定工作电流40 A;储能电容C由6个10 mF的电容器3串联2并联构成，等效电容值为6.67 mF，由直流电源通过100 Ω电阻R充电，在IGBT导通期间，向150 μH的负载电感L放电.IGBT器件的驱动信号和集电极电流波形如图2（b）和图2（c）所示，控制IGBT器件的开通时间Ton可控制IGBT的关断电流.

试验中，IGBT的驱动信号UGE为15 V的单脉冲，脉冲宽度Ton为60 μs，IGBT导通期间，负载电感线性充磁，负载电流为40 A时关断IGBT，负载电感的储能通过快恢复二极管释放，避免产生大的感生电动势击穿IGBT.

试验装置如图3所示，采用ASMY-6型声发射测量仪和VS-45H型声发射压电传感器测量IGBT器件的关断机械应力波，VS-45H型传感器测量带宽为20～450 kHz.试验前将传感器通过耦合剂贴在IGBT器件封装上.通过测试发现，试验现场的环境噪声为64 dB，故采样阈值设置为70 dB.

2   试验结果与分析

2.1   试验结果

试验中，手动设置了5次触发脉冲.5个脉冲触发完成后获得了对应的机械应力波，幅值约为85 dB（滤波前）.图4给出了5个脉冲对应的机械应力波（A～E），可以看出机械应力波与时间的关系，机械应力波A与B的时间间隔为26 s，机械应力波B与C的时间间隔为32 s，机械应力波C、D、E间的时间间隔约为40 s.图中，机械应力波A～E由IGBT器件的关断过程产生，机械应力波F由测试现场干扰产生，其幅值略低于检测阈值且密集出现.

2.2   噪声分析与抑制

图5（a）和5（b）分别给出了噪声F的时域波形和频谱分量，可以看出噪声的幅值为2.5 mV，频率组份较为简单，主要集中在112～116 kHz.因此在处理机械应力波A～E时，采用带阻数字滤波器来抑制噪声，阻带频率设置为105～120 kHz.

2.3   关断机械应力波分析

图6展示了机械应力波A～E（已通过带阻滤波器滤除噪声）的时域波形，横坐标的零点表示机械应力波事件开始的时刻.可以看出A～E 五个机械应力波的时域波形高度相似且呈衰减震荡状，其持续时间在105～110 μs范围内、幅值为5.2 mV、峰峰值为9.6 mV.这是由于A～E五个机械应力波由同一IGBT器件的关断过程产生，且關断电流大小相等，测量系统相同.