電力電子器件機(jī)械應(yīng)力波的試驗(yàn)研究

李孟川　孟志強(qiáng)　胡毅　王俊　何澤　鄒翔　焦文豪　歐陽紅林

摘? ?要：通過測試電路與數(shù)字濾波技術(shù)，探究了一種電力電子器件關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波的測量方法;通過信號處理與頻譜分析得到了機(jī)械應(yīng)力波的時域和頻域特征參數(shù)，如幅值、峰峰值、峰值頻率和頻率范圍.研究結(jié)果表明：合理設(shè)置采樣閾值和阻帶頻率能夠測量機(jī)械應(yīng)力波;IKW40T120型IGBT器件在關(guān)斷40 A電流時，關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波的幅值為5.2 mV、峰峰值為9.6 mV，時域波形約持續(xù)100 μs且振幅衰減，其幅值頻譜明顯存在3個頻率段，分別為20～100 kHz、150～200 kHz和290～310 kHz，每個頻率段具有1個峰值頻率點(diǎn)，分別為54 kHz、163 kHz和299 kHz，幾乎呈現(xiàn)1倍、3倍、5倍頻關(guān)系，三峰值頻率點(diǎn)對應(yīng)的峰值差異較大，分別為1.24 mV、0.69 mV和0.36 mV.

關(guān)鍵詞：電力電子器件;關(guān)斷過程;機(jī)械應(yīng)力波;狀態(tài)監(jiān)測;可靠性

中圖分類號：TN32;TB52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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，F(xiàn)uqing Branch

of Fujian Normal University，F(xiàn)uqing 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

電力電子器件和模塊在電氣節(jié)能、新能源發(fā)電、電力牽引、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用[1].電力電子器件和模塊發(fā)生故障或性能退化，會對電力系統(tǒng)和使用電力電子設(shè)備的系統(tǒng)正常運(yùn)行構(gòu)成危害，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，高效、簡潔、實(shí)時的電力電子器件與模塊狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是保障電力電子設(shè)備可靠性的重要方式.近年來，電力電子設(shè)備應(yīng)用的迅猛發(fā)展對檢測技術(shù)提出了一些特殊的要求，主要體現(xiàn)為快速檢測[2]、非侵入式檢測[3]、實(shí)時在線檢測[4]方面.

國內(nèi)外專家和學(xué)者越來越重視電力電子器件和模塊的可靠性研究，對器件和模塊的狀態(tài)監(jiān)測開展了大量的研究，研究成果主要集中在電力電子器件內(nèi)部電、磁、熱應(yīng)力信息特征參數(shù)的提取.電應(yīng)力信息的提取方法包括直接提取法和間接提取法[5]，直接提取法[6-7]是直接檢測電力電子器件關(guān)鍵位置的電壓或者電流值，實(shí)現(xiàn)截壓、截流控制及過壓、過流保護(hù)，不能評估電力電子器件和模塊的狀態(tài)，特別是老化問題，且器件越多，所需要的檢測點(diǎn)越多，使實(shí)際電路較為復(fù)雜;間接提取法[8]對測量的電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用處理后的信號判斷電力電子器件的故障狀態(tài)，該方法數(shù)據(jù)處理方式復(fù)雜，不利于硬件實(shí)現(xiàn)，大部分工作尚處于仿真階段.磁應(yīng)力信息的提取方法[9-10]利用巨磁阻效應(yīng)，借助內(nèi)埋于器件和模塊內(nèi)部的巨磁阻磁場傳感器以及磁場信號來獲取電流和溫度信號，檢測效果高度依賴于激勵頻率并且需要改造器件和模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu).熱應(yīng)力信息的提取方法包含光學(xué)非接觸式測量法、物理接觸式測量法、熱敏感電參數(shù)法、熱阻抗模型法等[11].其中，光學(xué)非接觸測量法[12]一般采用紅外熱像儀來測量器件和模塊內(nèi)部的結(jié)溫，需要打開器件和模塊的封裝，難以實(shí)現(xiàn)在線檢測;物理接觸式測量法[13]通常在器件和模塊內(nèi)部預(yù)埋熱敏電阻來測溫，響應(yīng)速度慢，需要改變器件和模塊的結(jié)構(gòu);熱敏感電參數(shù)提取法[14- 15]利用與電力電子器件結(jié)溫密切相關(guān)的電學(xué)特性來間接測量器件的結(jié)溫，不適用于對結(jié)溫要求精確測量的場合;熱阻抗模型預(yù)測法[16]通過仿真技術(shù)，利用器件的功耗和熱阻模型來計算芯片的結(jié)溫，只能預(yù)測器件正常工作狀態(tài)下的結(jié)溫變化，不能反映器件老化帶來的測量誤差.上述方法難以同時滿足快速、非侵入和實(shí)時在線檢測的需求，不利于保障和提升電力電子器件與模塊的可靠性.

聲發(fā)射是材料內(nèi)局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，聲發(fā)射信號能夠表征材料的缺陷和物理特性[17]，因而可以用來評判發(fā)射源的狀態(tài).聲發(fā)射檢測技術(shù)具有快速、非侵入式和實(shí)時在線檢測等特點(diǎn)，在石油、化工、電力和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[18].電力系統(tǒng)及新能源發(fā)電系統(tǒng)是聲發(fā)射檢測技術(shù)的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域，如絕緣子污穢放電檢測[19]、高壓電氣設(shè)備局部放電檢測[20]、風(fēng)機(jī)葉片健康狀態(tài)檢測[21].

國外學(xué)者在近幾年內(nèi)提出并開展了基于聲發(fā)射檢測技術(shù)的電力電子器件與模塊狀態(tài)監(jiān)測的研究，寄希望于探索電力電子器件與模塊在關(guān)斷和短路故障時出現(xiàn)聲發(fā)射信號（本文中稱為“機(jī)械應(yīng)力波”）的機(jī)理，探索一種能夠快速、非侵入、可靠監(jiān)測電力電子器件與模塊狀態(tài)的在線實(shí)時檢測方法.芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)K？覿rkk？覿inenal等人[22]利用測試電路和聲發(fā)射傳感器檢測了絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）器件關(guān)斷過程產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波，通過機(jī)械應(yīng)力波傳播時延與傳感器和功率模塊間距離的關(guān)系，證明了機(jī)械應(yīng)力波信號來自IGBT器件內(nèi)部;K？覿rkk？覿inenal等人[23]通過短路測試電路和聲發(fā)射傳感器探測到IGBT器件門-射極短路和集-射極短路時出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力波，發(fā)現(xiàn)了兩種與短路失效模式相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力波;德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)Muller等人[24]根據(jù)IGBT模塊關(guān)斷過程能夠產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波這一現(xiàn)象，借助功率循環(huán)測試電路和聲發(fā)射測量系統(tǒng)，提取了IGBT模塊老化時產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波，發(fā)現(xiàn)IGBT模塊的性能退化使關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波在50～150 kHz頻率范圍內(nèi)幅值變小.可以看出，機(jī)械應(yīng)力波能夠有效反映電力電子器件與模塊內(nèi)部的相關(guān)狀態(tài)，具有進(jìn)一步研究的意義與價值.

本文通過測試電路與數(shù)字濾波技術(shù)，探究了電力電子器件關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波的測量方法，獲取了IGBT器件關(guān)斷過程產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波;通過信號處理與頻譜分析得到了相應(yīng)機(jī)械應(yīng)力波的時域和頻域特征參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了IGBT器件的關(guān)斷過程能夠產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波這一現(xiàn)象，為后續(xù)電力電子器件機(jī)械應(yīng)力波的產(chǎn)生機(jī)理研究奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ).

1? ?試驗(yàn)設(shè)計

1.1? ?試驗(yàn)機(jī)理

IGBT是雙極性功率器件，電子和空穴同時參與導(dǎo)電.關(guān)斷過程中，空穴和電子從漂移區(qū)內(nèi)抽出，使空穴電流和電子電流同時減小并相互作用，引起IGBT器件內(nèi)部電磁相互作用并產(chǎn)生電磁應(yīng)力（安培力或洛倫茲力），使IGBT芯片出現(xiàn)機(jī)械振動，這種機(jī)械振動可能成為IGBT器件關(guān)斷時的聲發(fā)射源.? ? ? ? ? ? ? ? ?1.2? ?機(jī)械應(yīng)力波的狀態(tài)監(jiān)測方法

基于機(jī)械應(yīng)力波的電力電子器件與模塊的狀態(tài)監(jiān)測方法如圖1所示，使用聲發(fā)射測量儀和由壓電聲發(fā)射傳感器與前置放大電路構(gòu)成的測試電路獲取電力電子器件和模塊的機(jī)械應(yīng)力波，使用頻譜分析、數(shù)字濾波等信號處理技術(shù)提取機(jī)械應(yīng)力波的特征參數(shù)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法建立特征參數(shù)與器件和模塊狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，利用這些對應(yīng)關(guān)系反演電力電子器件和模塊的狀態(tài)，評估電力電子器件和模塊的性能.本試驗(yàn)旨在提取電力電子器件的關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波，獲取其特征參數(shù).

1.3? ?測試電路和試驗(yàn)裝置

測試電路如圖2（a）所示，由DC100 V直流電源、儲能電容、負(fù)載電感、IGBT器件和快恢復(fù)二極管FRD組成.IGBT測試器件的型號為IKW40T120，額定工作電壓1 200 V，額定工作電流40 A;儲能電容C由6個10 mF的電容器3串聯(lián)2并聯(lián)構(gòu)成，等效電容值為6.67 mF，由直流電源通過100 Ω電阻R充電，在IGBT導(dǎo)通期間，向150 μH的負(fù)載電感L放電.IGBT器件的驅(qū)動信號和集電極電流波形如圖2（b）和圖2（c）所示，控制IGBT器件的開通時間Ton可控制IGBT的關(guān)斷電流.

試驗(yàn)中，IGBT的驅(qū)動信號UGE為15 V的單脈沖，脈沖寬度Ton為60 μs，IGBT導(dǎo)通期間，負(fù)載電感線性充磁，負(fù)載電流為40 A時關(guān)斷IGBT，負(fù)載電感的儲能通過快恢復(fù)二極管釋放，避免產(chǎn)生大的感生電動勢擊穿IGBT.

試驗(yàn)裝置如圖3所示，采用ASMY-6型聲發(fā)射測量儀和VS-45H型聲發(fā)射壓電傳感器測量IGBT器件的關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波，VS-45H型傳感器測量帶寬為20～450 kHz.試驗(yàn)前將傳感器通過耦合劑貼在IGBT器件封裝上.通過測試發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場的環(huán)境噪聲為64 dB，故采樣閾值設(shè)置為70 dB.

2? ?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1? ?試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，手動設(shè)置了5次觸發(fā)脈沖.5個脈沖觸發(fā)完成后獲得了對應(yīng)的機(jī)械應(yīng)力波，幅值約為85 dB（濾波前）.圖4給出了5個脈沖對應(yīng)的機(jī)械應(yīng)力波（A～E），可以看出機(jī)械應(yīng)力波與時間的關(guān)系，機(jī)械應(yīng)力波A與B的時間間隔為26 s，機(jī)械應(yīng)力波B與C的時間間隔為32 s，機(jī)械應(yīng)力波C、D、E間的時間間隔約為40 s.圖中，機(jī)械應(yīng)力波A～E由IGBT器件的關(guān)斷過程產(chǎn)生，機(jī)械應(yīng)力波F由測試現(xiàn)場干擾產(chǎn)生，其幅值略低于檢測閾值且密集出現(xiàn).

2.2? ?噪聲分析與抑制

圖5（a）和5（b）分別給出了噪聲F的時域波形和頻譜分量，可以看出噪聲的幅值為2.5 mV，頻率組份較為簡單，主要集中在112～116 kHz.因此在處理機(jī)械應(yīng)力波A～E時，采用帶阻數(shù)字濾波器來抑制噪聲，阻帶頻率設(shè)置為105～120 kHz.

2.3? ?關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波分析

圖6展示了機(jī)械應(yīng)力波A～E（已通過帶阻濾波器濾除噪聲）的時域波形，橫坐標(biāo)的零點(diǎn)表示機(jī)械應(yīng)力波事件開始的時刻.可以看出A～E 五個機(jī)械應(yīng)力波的時域波形高度相似且呈衰減震蕩狀，其持續(xù)時間在105～110 μs范圍內(nèi)、幅值為5.2 mV、峰峰值為9.6 mV.這是由于A～E五個機(jī)械應(yīng)力波由同一IGBT器件的關(guān)斷過程產(chǎn)生，且關(guān)斷電流大小相等，測量系統(tǒng)相同.