基于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波綜述

李孟川 何赟澤, 孟志強(qiáng) 周雅楠 李運(yùn)甲

（1. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410082 2. 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)） 西安 710049）

0 引言

電力電子器件/模塊是實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量電力電子電能變換技術(shù)的基石，在智能電網(wǎng)、特種電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高鐵牽引、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。電力電子器件/模塊一旦發(fā)生故障或者性能弱化，會(huì)對(duì)整個(gè)裝置乃至系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成極大危害[4-5]。測(cè)試與檢測(cè)是保證與提高電力電子器件/模塊可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，貫穿于器件/模塊的研發(fā)、生產(chǎn)、服役和維修等過程。現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)主要建立在測(cè)量電、磁、熱物理信息上[6-10]，這些方法均可以實(shí)現(xiàn)器件/模塊的健康狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷，提升其可靠性，具有一定的使用價(jià)值。電應(yīng)力信息提取方法包括直接提取法和間接提取法，直接提取法直接檢測(cè)電力電子器件關(guān)鍵位置的電壓或電流，實(shí)現(xiàn)截壓、截流控制及過電壓、過電流保護(hù)；間接提取法對(duì)測(cè)量的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用處理后的信號(hào)判斷電力電子器件/模塊的故障狀態(tài)，目前大部分工作處于仿真階段；磁應(yīng)力信息提取方法利用巨磁阻效應(yīng)，借助內(nèi)埋于器件和模塊內(nèi)部的巨磁阻磁場(chǎng)傳感器來獲取電氣信號(hào)，需要對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確解耦并改造器件/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(cè)量法、物理接觸式測(cè)量法、熱敏感電參數(shù)法和熱阻抗模型法[11]。其中，光學(xué)非接觸測(cè)量法一般采用紅外熱像儀來測(cè)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(cè)；物理接觸式測(cè)量法通常在器件和模塊內(nèi)部預(yù)埋熱敏電阻來測(cè)溫，響應(yīng)速度慢，需要改變器件/模塊的結(jié)構(gòu)；熱敏感電參數(shù)提取法利用與電力電子器件/模塊結(jié)溫密切相關(guān)的電學(xué)特性來間接測(cè)量器件的結(jié)溫，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、非侵入和在線監(jiān)測(cè)；熱阻抗模型預(yù)測(cè)法通過仿真技術(shù)，利用器件/模塊的功耗和熱阻模型來計(jì)算芯片的結(jié)溫。

但是，基于機(jī)械應(yīng)力的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法沒有得到廣泛的研究和關(guān)注，尚處于初始發(fā)展階段。目前，急需擴(kuò)展該方面的研究?jī)?nèi)容來完善電力電子器件/模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)體系，從而保障電力電子裝備的運(yùn)行可靠性。利用材料內(nèi)能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的聲發(fā)射（Acoustic Emission,AE）檢測(cè)技術(shù)具有快速、實(shí)時(shí)、在線等特點(diǎn)[12]，已應(yīng)用于絕緣子污穢放電檢測(cè)、變壓器局部放電檢測(cè)、風(fēng)機(jī)葉片健康監(jiān)測(cè)等。電力電子器件/模塊氧化層裂紋的產(chǎn)生、金屬疲勞裂紋的產(chǎn)生及焊點(diǎn)的脫落等動(dòng)態(tài)行為也會(huì)產(chǎn)生彈性波[13-14]，屬于傳統(tǒng)聲發(fā)射（Traditional Acoustic Emission, TAE），由故障或缺陷直接產(chǎn)生。電力電子器件/模塊在正常工作時(shí)有載流子變化，由此引起的電磁力與結(jié)構(gòu)相互耦合會(huì)產(chǎn)生電磁聲發(fā)射（Electromagnetic Acoustic Emission,EMAE），這種電磁聲發(fā)射即機(jī)械應(yīng)力波（Mechanical Stress Wave, MSW），與傳統(tǒng)聲發(fā)射是不同的，伴隨著器件/模塊的正常工作產(chǎn)生[15-16]。近年來，芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)、德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)、丹麥奧爾堡大學(xué)、波蘭什切青海事大學(xué)、湖南大學(xué)的學(xué)者都對(duì)電力電子器件/模塊中的機(jī)械應(yīng)力波進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)器件/模塊在開關(guān)切換時(shí)可以產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波[17]，分析機(jī)械應(yīng)力波的組成模式和對(duì)應(yīng)源機(jī)制[18]，探索器件/模塊老化與機(jī)械應(yīng)力波參數(shù)之間的關(guān)系[19]，發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力波參數(shù)與集-射極飽和壓降的變化趨勢(shì)相一致[20]。因此，電力電子器件/模塊開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波具有重要研究?jī)r(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。目前，尚沒有文獻(xiàn)對(duì)電力電子器件/模塊的機(jī)械應(yīng)力波進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，因而不利于該內(nèi)容的進(jìn)一步研究。

本文將總結(jié)適用于電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的機(jī)理、檢測(cè)方法、測(cè)試檢測(cè)電路、聲發(fā)射傳感器和信號(hào)處理方法，分析國(guó)內(nèi)外電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的發(fā)展現(xiàn)狀，提出電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波存在的關(guān)鍵問題，展望電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的未來研究方向。因此，本文將有助于以機(jī)械應(yīng)力波為基礎(chǔ)的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的進(jìn)一步發(fā)展。

1 機(jī)械應(yīng)力波基礎(chǔ)內(nèi)容

1.1 機(jī)理

在開關(guān)過程中，電力電子器件/模塊處于電氣瞬態(tài)，電氣參數(shù)（如驅(qū)動(dòng)信號(hào)、開關(guān)電壓、開關(guān)電流）在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，引起內(nèi)部電磁場(chǎng)的變化，從而形成變化的電磁力，釋放機(jī)械應(yīng)力波。因此，機(jī)械應(yīng)力波與電參數(shù)引起的電磁場(chǎng)變化是耦合的。以硅基絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）為例，開關(guān)過程產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波由高頻分量和低頻分量組成，高頻分量與開關(guān)電壓有關(guān)，低頻分量與驅(qū)動(dòng)信號(hào)和開關(guān)電流有關(guān)[16,18,21]。

1.2 檢測(cè)方法

基于機(jī)械應(yīng)力波的電力電子器件/模塊狀態(tài)檢測(cè)方法如圖1 所示[11]，使用測(cè)試電路、聲發(fā)射壓電傳感器、前置放大器和聲發(fā)射測(cè)量?jī)x來提取電力電子器件/模塊的機(jī)械應(yīng)力波，測(cè)試檢測(cè)電路將在1.3節(jié)中介紹；使用時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析等方法來處理機(jī)械應(yīng)力波，獲取其特征參數(shù)，信號(hào)處理方法將在1.5 節(jié)中介紹；使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度智能學(xué)習(xí)方法建立特征參數(shù)與器件/模塊狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用這些對(duì)應(yīng)關(guān)系評(píng)估電力電子器件/模塊的健康狀態(tài)。

圖1 基于機(jī)械應(yīng)力波的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法Fig.1 Condition monitoring method of power electronics device/module based on mechanical stress wave

1.3 測(cè)試檢測(cè)電路

測(cè)試檢測(cè)電路包含功率器件測(cè)試電路和機(jī)械應(yīng)力波檢測(cè)電路，測(cè)試電路用于產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波，檢測(cè)電路主要用于捕獲機(jī)械應(yīng)力波。

功率器件/模塊典型測(cè)試電路如圖2 所示，包括脈沖測(cè)試電路和功率循環(huán)測(cè)試電路。脈沖測(cè)試電路通過控制開關(guān)頻率、驅(qū)動(dòng)信號(hào)、開關(guān)電流、開關(guān)電壓和負(fù)載類型，在不同條件下產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波；功率循環(huán)電路使用直流加熱源和散熱裝置反復(fù)加熱和冷卻功率器件/模塊，使器件/模塊內(nèi)部的鍵合線脫落或焊料層疲勞，導(dǎo)致其電氣性能退化。功率循環(huán)的控制方式包括恒定開通和關(guān)斷時(shí)間、恒定殼溫波動(dòng)、恒定功率損耗和恒定結(jié)溫波動(dòng)四種，具體控制策略詳見文獻(xiàn)[22-23]，試驗(yàn)人員可根據(jù)試驗(yàn)條件，采用適合的控制方式來老化功率器件/模塊。

圖2 電力電子器件/模塊測(cè)試電路Fig.2 Test circuits of power electronics device/module

機(jī)械應(yīng)力波檢測(cè)電路一般由聲發(fā)射傳感器、前置放大器和記錄裝置組成，聲發(fā)射傳感器用于測(cè)量機(jī)械應(yīng)力波，將在1.4 節(jié)中進(jìn)行描述；前置放大器用于放大機(jī)械應(yīng)力波、匹配傳感器與記錄裝置的阻抗，從而增大信號(hào)的傳輸距離、減小信號(hào)衰減；記錄裝置通常包含示波器[17,20,24-26]、聲發(fā)射采集卡[21,27]和聲發(fā)射測(cè)量?jī)x[15-16,18-19,28]三種類型。直接使用示波器觀測(cè)機(jī)械應(yīng)力波，測(cè)量方式簡(jiǎn)單便捷，但機(jī)械應(yīng)力波信號(hào)會(huì)包含大量干擾，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，難以直接測(cè)量機(jī)械應(yīng)力波；聲發(fā)射采集卡由模擬信號(hào)調(diào)制濾波單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號(hào)處理單元等組成，模擬信號(hào)調(diào)理濾波單元將模擬信號(hào)調(diào)制成模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元能夠處理的信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理單元能夠?qū)δ?數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，從而準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)械應(yīng)力波信號(hào)[29]；聲發(fā)射測(cè)量?jī)x一般由多通道采集卡、外參數(shù)采集卡、高精度電源、主板和工業(yè)專用機(jī)箱組成，能夠同時(shí)采集多通道機(jī)械應(yīng)力波信號(hào)，獨(dú)立處理機(jī)械應(yīng)力波及其特征參數(shù)，適應(yīng)嚴(yán)苛現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、并排除市電對(duì)測(cè)量干擾[30]。預(yù)算不充足推薦購置聲發(fā)射采集卡，預(yù)算充足推薦購置聲發(fā)射測(cè)量?jī)x。

1.4 傳感器

用于測(cè)量電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的傳感器主要為聲發(fā)射壓電傳感器。壓電傳感器的工作原理如下：材料內(nèi)部應(yīng)力變化釋放的彈性應(yīng)力波到達(dá)材料表面時(shí)，對(duì)緊貼在材料表面?zhèn)鞲衅鞯膬?nèi)部壓電元件施加壓力，壓電效應(yīng)將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于處理的電信號(hào)[31-32]。聲發(fā)射壓電傳感器的壓電材料主要為鋯鈦酸鉛（Lead Zirconate Titanate, PZT），具有低成本和高靈敏度的特點(diǎn)。目前，市售的聲發(fā)射壓電傳感器主要為諧振型和寬帶型，諧振型壓電傳感器在低頻（10～100kHz）、標(biāo)準(zhǔn)（100～450kHz）和高頻（400～1 000kHz）段內(nèi)具有高靈敏度[33]；寬帶型壓電傳感器在典型頻帶內(nèi)（20～450kHz、100～1 000kHz、100～2 500kHz、300～2 200kHz和500～4 000kHz）具有平坦的頻率響應(yīng)[34-35]。由于電力電子器件/模塊的電磁聲發(fā)射包含電磁波和高頻聲波，覆蓋頻帶較寬，推薦使用寬帶型壓電傳感器。

1.5 信號(hào)處理方法

機(jī)械應(yīng)力波屬于mV 級(jí)微弱信號(hào)，易受背景噪聲的干擾。需對(duì)其進(jìn)行處理來提升信噪比，從而有效提取其特征參數(shù)。檢測(cè)過程中根據(jù)背景噪聲的幅值和帶寬，在聲發(fā)射測(cè)量?jī)x中設(shè)置檢測(cè)閾值和濾波頻段來抑制噪聲。隨后，對(duì)濾波的機(jī)械應(yīng)力波進(jìn)行時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析，提取特征參數(shù)并分析源機(jī)制。使用時(shí)域特征參數(shù)法對(duì)機(jī)械應(yīng)力波進(jìn)行分析，機(jī)械應(yīng)力波可以簡(jiǎn)化為如幅值、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、計(jì)數(shù)、命中等特征參數(shù)，通過相關(guān)分析、分布分析和經(jīng)歷分析等方法，形成基于時(shí)域特征參數(shù)的直方圖和趨勢(shì)圖，研究機(jī)械應(yīng)力波源的時(shí)域特性。基于特征參數(shù)分析的時(shí)域分析法便于在線監(jiān)測(cè)，已成為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的主要信號(hào)處理手段，但該方法簡(jiǎn)化了聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形，忽略了聲發(fā)射源的部分信息[36]。使用快速傅里葉變換獲得機(jī)械應(yīng)力波的幅頻特性曲線，或借助自相關(guān)函數(shù)和傅里葉變化獲得機(jī)械應(yīng)力波的功率譜密度后，可提取峰值頻率、質(zhì)心頻率、頻帶和頻譜峰度等頻域特征參數(shù)，研究機(jī)械應(yīng)力波源的頻域特性。頻域分析法利用信號(hào)的完整信息，反映了機(jī)械應(yīng)力波時(shí)間平均的頻域分布，能夠有效識(shí)別不同種類的源機(jī)制，傳統(tǒng)傅里葉變換結(jié)果受頻域分辨率影響，功率譜密度分析結(jié)果不受頻域分辨率影響，但基于傳統(tǒng)傅里葉變換和功率譜密度的頻域分析法都難以有效捕獲信號(hào)的局部特征[19,28]。使用短時(shí)傅里葉變換、小波變換、希爾伯特-黃變換等方法可提取機(jī)械應(yīng)力波的時(shí)頻譜，時(shí)頻譜使用顏色編碼顯示幅度，在二維圖中顯示信號(hào)隨時(shí)間變化的頻譜信息，便于研究機(jī)械應(yīng)力波源的時(shí)頻特性。時(shí)頻分析方法具有更強(qiáng)的信號(hào)處理能力，能夠同時(shí)在時(shí)域和頻域上表征機(jī)械應(yīng)力波的局部特征，從而獲得有關(guān)源機(jī)制的更多信息，但時(shí)頻分析算法相對(duì)復(fù)雜，需要更多的運(yùn)算時(shí)間[37-39]。

2 機(jī)械應(yīng)力波的研究現(xiàn)狀

2.1 健康狀態(tài)

電力電子器件/模塊開關(guān)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波在近幾年才得到研究和關(guān)注。

2014～2017 年，芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)T. J.K?rkk?inenal 等在高低壓帶電感負(fù)載條件（開關(guān)電壓30～600V、開關(guān)電流75A）下，首次檢測(cè)到了IGBT 模塊（SK80GB125T）的關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波及其傳播延時(shí)[17]，如圖3 所示。探究了聲發(fā)射傳感器和測(cè)試電壓對(duì)關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波測(cè)量的影響[24-25]；給出了關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波測(cè)量的注意事項(xiàng)[26]。如圖3a 所示，當(dāng)傳感器逐漸遠(yuǎn)離功率模塊時(shí)，機(jī)械應(yīng)力波傳播延時(shí)不斷增加，證明了關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力波來自IGBT模塊內(nèi)部。KRNBB-PC（寬帶型、100～1 000kHz）和Kistler 8152B111（諧振型、50～400kHz）聲發(fā)射傳感器測(cè)量的關(guān)斷機(jī)械應(yīng)力如圖3b 和圖3c 所示，寬帶型傳感器在時(shí)域上響應(yīng)較慢，測(cè)量的機(jī)械應(yīng)力波頻譜顯著低于傳感器的測(cè)量帶寬；諧振型傳感器在時(shí)域上響應(yīng)快，測(cè)量的機(jī)械應(yīng)力波頻譜位于傳感器測(cè)量帶寬內(nèi)。SK80GB125T 模塊的機(jī)械應(yīng)力波時(shí)頻譜如圖4 所示，測(cè)試電壓對(duì)機(jī)械應(yīng)力波影響顯著，高電壓使機(jī)械應(yīng)力波出現(xiàn)更多的干擾、更寬的頻率分量和更短的持續(xù)時(shí)間。此外，聲發(fā)射傳感器通常安裝在模塊基板封裝側(cè)，聲發(fā)射傳感器的最高工作溫度應(yīng)大于80℃。

圖3 SK80GB125T 模塊機(jī)械應(yīng)力波及其傳播延時(shí)（集-射極電壓30V 和集電極電流75A）Fig.3 Mechanical stress waves and propagation delays of SK80GB125T module (collector-emitter voltage of 30V and collector current of 75A)

圖4 SK80GB125T 模塊的機(jī)械應(yīng)力波時(shí)頻譜Fig.4 Time-frequency spectra of mechanical stress waves for SK80GB125T module

2018～2019 年，波蘭什切青海事大學(xué)R. Gordon等在低壓帶電阻負(fù)載條件（1Hz 開關(guān)頻率、20V 開關(guān)電壓、2.2A 開關(guān)電流條件）下，分析了IGBT 器件連續(xù)開關(guān)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波[21,27]，如圖5 所示。如圖5a 所示，IRG4BC40S 器件每間隔0.5s 都會(huì)出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力波，表明功率器件的開關(guān)狀態(tài)切換是產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波的主要原因；圖5b 顯示了IRG4BC40S器件在開通時(shí)刻的機(jī)械應(yīng)力波，其波形與驅(qū)動(dòng)信號(hào)（二階RLC 電路的欠阻尼狀態(tài)）高度相似、呈正弦衰減振蕩狀。

圖5 低壓下IRG4BC40S 器件的機(jī)械應(yīng)力波（集-射極電壓20V 和集電極電流2.2A）Fig.5 Mechanical stress waves of IRG4BC40S device under low voltage (collector-emitter voltage of 20V and collector current of 2.2A)

2018～2020 年，湖南大學(xué)李孟川、鄒翔等在高低壓帶電感負(fù)載條件（開關(guān)電壓10～400V、開關(guān)電流2～50A）下，提取并分析了硅（Silicon, Si）基IGBT、Si 基MOSFET、碳化硅（Silicon Carbide, SiC）MOSFET 器件開關(guān)過程產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波[15]，首次發(fā)現(xiàn)了機(jī)械應(yīng)力波的組成模式，探究了應(yīng)力波不同分量的產(chǎn)生和傳播機(jī)制[16,18]，如圖6～圖8 所示。圖中，電力電子器件的機(jī)械應(yīng)力波由低頻分量和高頻分量組成。高頻分量包含兩個(gè)脈沖波，兩脈沖波相位相反，時(shí)間間隔與驅(qū)動(dòng)信號(hào)寬度相等，其特征參數(shù)與開關(guān)電壓呈線性關(guān)系；低頻分量的特征參數(shù)與集電極電流和驅(qū)動(dòng)信號(hào)呈較強(qiáng)線性關(guān)系。此外，通過改變傳感器的耦合方式，發(fā)現(xiàn)高頻分量主要通過空氣傳播，低頻分量主要通過耦合劑傳播，低壓下STW58N60DM2AG 器件不同耦合條件如圖7所示。

圖6 高壓下IRG4PC40FDPBF 器件機(jī)械應(yīng)力波組成模式（集-射極電壓300V 和集電極電流50A）Fig.6 Composition mode of mechanical stress wave in IRG4PC40FDPBF device under high voltage(collector-emitter voltage of 300V and collector current of 50A)

圖7 低壓下STW58N60DM2AG 器件不同耦合條件機(jī)械應(yīng)力波（驅(qū)動(dòng)電壓10V 和漏源電壓10V）Fig.7 Mechanical stress waves of STW58N60DM2AG device under different coupling conditions (gate voltage of 10V and drain-source voltage of 10V)

圖8 高壓下IMZ120R045M1 器件機(jī)械應(yīng)力波及其時(shí)頻譜（漏源電壓400V 和漏源電流40A）Fig.8 Mechanical stress waves and time-frequency spectra of IMZ120R045M1device under high voltage (drain-source voltage of 400V and drain-source current of 40A)

上述研究表明，即使對(duì)于同一器件，機(jī)械應(yīng)力波受測(cè)試條件、測(cè)試電路、檢測(cè)電路等條件影響，不利于機(jī)械應(yīng)力波測(cè)量分析。但是通過上述研究可以確定以下內(nèi)容：即使在低電壓電流條件下，仍有足夠強(qiáng)度的機(jī)械應(yīng)力波被聲發(fā)射測(cè)量裝置捕獲；開關(guān)機(jī)械應(yīng)力波包含了不同頻率分量，其中高頻分量出現(xiàn)在開關(guān)時(shí)刻，主要成分為電磁波，信號(hào)波形呈脈沖狀，傳播介質(zhì)為空氣，傳播速度快，持續(xù)時(shí)間短，與開關(guān)電壓線性度高；低頻分量出現(xiàn)在開關(guān)時(shí)刻后，是開關(guān)切換過程中器件/模塊內(nèi)部能量釋放在介質(zhì)中傳播形成的聲波，這種聲波不同于人耳可聽的聲音，頻率一般高于20kHz，波形呈衰減振蕩狀，傳播介質(zhì)為耦合劑，傳播速度慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，與開關(guān)電流和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線性度高。目前，涉及的機(jī)械應(yīng)力波機(jī)理分析較淺，沒有從器件/模塊內(nèi)部電磁瞬態(tài)和電-力-結(jié)構(gòu)耦合機(jī)制等方面分析。

2.2 老化狀態(tài)

隨著開關(guān)次數(shù)的增加，電力電子器件/模塊內(nèi)部鍵合線發(fā)生脫落、焊料層產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致功率器件/模塊性能退化。因此器件/模塊內(nèi)部的機(jī)械參數(shù)發(fā)生變化，使開關(guān)機(jī)械應(yīng)力波發(fā)生變化。

2018 年，德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)S. Müller 將單次開關(guān)機(jī)械應(yīng)力波與模塊健康狀態(tài)相關(guān)聯(lián)[19]。不同狀態(tài)下IGBT 模塊機(jī)械應(yīng)力波的頻譜如圖9 所示。老化使模塊單次開關(guān)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波在主頻率的頻域幅值明顯增強(qiáng)，諧振頻率的頻域幅值明顯降低，即機(jī)械缺陷對(duì)聲波調(diào)制的非線性現(xiàn)象。丹麥奧爾堡大學(xué)F. Iannuzzo 等將連續(xù)開關(guān)機(jī)械應(yīng)力波頻域特征參數(shù)和IGBT 模塊集-射極導(dǎo)通壓降相關(guān)聯(lián)[20]，頻域幅值差值與DP25F1200 模塊集-射極導(dǎo)通壓降的關(guān)系如圖10 所示，不同狀態(tài)的IGBT 模塊在開關(guān)頻率處出現(xiàn)明顯頻域幅值差值（Maximum Absolute Error,MAE），并與集-射極導(dǎo)通壓降的變化趨勢(shì)一致，都隨功率循環(huán)而明顯增加。此外，圖10a 顯示的頻譜也出現(xiàn)了機(jī)械缺陷對(duì)機(jī)械應(yīng)力波調(diào)制的非線性現(xiàn)象，即主頻率的頻域幅值降低，諧振頻率的頻域幅值升高。2020 年，不同狀態(tài)IRG4PC40S 器件機(jī)械應(yīng)力波的功率譜密度如圖11 所示，波蘭什切青海事大學(xué)的A. Bejger 等發(fā)現(xiàn)，IGBT 器件狀態(tài)的改變使機(jī)械應(yīng)力波功率譜密度的分布特性發(fā)生變化，但沒有對(duì)功率譜密度變化特征進(jìn)行描述[28]。

圖9 不同狀態(tài)下IGBT 模塊機(jī)械應(yīng)力波的頻譜Fig.9 Frequency spectra of mechanical stress waves in IGBT module under different conditions

圖10 頻域幅值差值與DP25F1200 模塊集射極導(dǎo)通壓降的關(guān)系Fig.10 Relationship between difference value of frequency domain peak and collector-emitter conduction voltage drop of DP25F1200 module

圖11 不同狀態(tài)IRG4PC40S 器件機(jī)械應(yīng)力波的功率譜密度Fig.11 Power spectral densities of mechanical stress waves in IRG4PC40S device under different conditions

上述研究表明，老化使功率器件/模塊內(nèi)部的機(jī)械參數(shù)發(fā)生變化，并可能在其內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械缺陷，使機(jī)械應(yīng)力波出現(xiàn)非線性超聲調(diào)制現(xiàn)象（主頻率峰值增強(qiáng)諧振頻率峰值減小或主頻率峰值減小諧振頻率峰值增強(qiáng)）[40]。因此，可以利用老化狀態(tài)對(duì)機(jī)械應(yīng)力波的非線性調(diào)制現(xiàn)象來監(jiān)測(cè)功率器件/模塊的健康狀態(tài)。但是，目前研究沒有涉及機(jī)械應(yīng)力波與器件/模塊機(jī)械損傷的定量關(guān)系分析，無法評(píng)估損傷屬性。

3 討論與展望

相較于其他檢測(cè)技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)能夠更快地檢測(cè)物體內(nèi)部的機(jī)械損傷，為設(shè)備的維護(hù)決策提供更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，并具備快速、在線和非侵入的優(yōu)點(diǎn)，在電力電子器件/模塊狀態(tài)檢測(cè)方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α５F(xiàn)有研究距離形成基于機(jī)械應(yīng)力波的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法還有一定的距離，主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

（1）機(jī)械應(yīng)力波的理論研究剛剛起步。現(xiàn)有仿真模型不能同時(shí)考慮微觀載流子與宏觀電磁力，也缺少耦合電磁熱力多物理場(chǎng)的器件模型，導(dǎo)致不能深入研究功率器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波機(jī)理。

（2）現(xiàn)有研究主要集中在Si 基器件/模塊，很少涉及碳化硅和氮化鎵等寬禁帶功率器件/模塊，急需完善該方面的研究來擴(kuò)展機(jī)械應(yīng)力波的檢測(cè)范圍。

（3）多數(shù)研究以實(shí)驗(yàn)獲得的信號(hào)分析為主，測(cè)量的信號(hào)混合了瞬態(tài)電磁場(chǎng)信號(hào)與電磁干擾，給機(jī)械應(yīng)力波測(cè)量、分析和特征提取造成了困難。

（4）機(jī)械應(yīng)力波特征值尚沒有與器件/模塊內(nèi)部損傷對(duì)應(yīng)起來，不能用于反演損傷屬性，更沒有建立智能損傷診斷模型。

（5）現(xiàn)有聲發(fā)射壓電傳感器尺寸較大，通常安裝在器件/模塊封裝或散熱器上，難以集成在功率器件/模塊內(nèi)部，且難以滿足現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)苛條件的應(yīng)用需求。

基于現(xiàn)有研究存在的問題，功率器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下五個(gè)方面：

（1）電力電子器件/模塊開關(guān)產(chǎn)生的電磁聲發(fā)射信號(hào)由兩部分組成，高頻分量反映了電磁瞬態(tài)過程，低頻分量反映了電-力-結(jié)構(gòu)間的耦合信息。因此，高頻分量可通過SIwave/HFSS[41]、CST MWS[42]等電磁和射頻仿真軟件研究其產(chǎn)生與傳播機(jī)制；低頻分量可通過TCAD 與Ansys 結(jié)合[43]、COMSOL[44]、ABAQUS[45]等有限元仿真軟件研究其產(chǎn)生與傳播機(jī)制。

（2）需要探索適用于寬禁帶功率器件/模塊的測(cè)量裝置和測(cè)量方案研究其內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力波，形成較為通用的功率器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波檢測(cè)方法。

（3）使用強(qiáng)大的信號(hào)處理算法來抑制干擾信號(hào)，盲源分離和自適應(yīng)濾波技術(shù)似乎是合適的選擇，因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試強(qiáng)干擾條件下，這些算法能夠在復(fù)合材料[46]、混凝土[47]和鋼軌[48]中有效提取機(jī)械損壞產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)特征。

（4）借助維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)模型，建立基于時(shí)間序列深度學(xué)習(xí)的損傷智能評(píng)估模型。 目的是為器件損傷提供可靠的診斷模型。在強(qiáng)噪聲干擾和大量無序信號(hào)的條件下，這些算法在橋梁[49]和壓力容器[50]缺陷識(shí)別方面，仍具有很高的識(shí)別精度。

（5）基于MEMS 傳感器[51]和光纖傳感器[52]尺寸小和可嵌入的特點(diǎn)，利用新型制造工藝將其嵌入功率器件/模塊內(nèi)部，便于在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件下測(cè)量機(jī)械應(yīng)力波，擴(kuò)展機(jī)械應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)論

電力電子器件/模塊在開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的電磁聲發(fā)射不同于傳統(tǒng)聲發(fā)射，其伴隨著器件/模塊的正常工作產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。現(xiàn)有研究已經(jīng)證明了機(jī)械應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)的高靈敏度，初步形成了機(jī)械應(yīng)力波產(chǎn)生與傳播的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了功率器件/模塊老化對(duì)機(jī)械應(yīng)力波的非線性調(diào)制現(xiàn)象，證明了基于機(jī)械應(yīng)力波的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性。

但現(xiàn)有研究距離形成功率器件/模塊的機(jī)械應(yīng)力波狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法還有很長(zhǎng)的距離，特別是在機(jī)理完善分析、特征參數(shù)有效提取和診斷模型準(zhǔn)確構(gòu)建方面。隨著電力電子裝備多物理場(chǎng)仿真建模技術(shù)、智能濾波技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法快速發(fā)展，填補(bǔ)這些研究空白只是時(shí)間問題。相信在不遠(yuǎn)的未來，機(jī)械應(yīng)力波狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法能夠快速、在線和非侵入地檢測(cè)功率器件/模塊內(nèi)部的機(jī)械損傷，完善電力電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)體系，保障電力電子裝備的服役可靠性。