劉 菲， 何赟澤， 唐銳洋， 任丹彤， 白 蕓， 劉松源

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

逆變技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件將直流電變換為交流電的變流技術(shù)[1]。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、電動汽車、新能源和并網(wǎng)逆變[2-5]等方面。由電力電子功率半導(dǎo)體器件組成的逆變電路是逆變器中的核心部分，由于功率器件處于不停的開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致逆變電路成為系統(tǒng)的薄弱裝置，是主要的失效組件[6-7]。在整個逆變系統(tǒng)中，任何一個器件的故障或者損壞都會導(dǎo)致整個電路甚至系統(tǒng)的癱瘓，造成嚴(yán)重的安全事故或經(jīng)濟損失，因此提高功率器件的可靠性是提高整個逆變系統(tǒng)可靠性的重要環(huán)節(jié)[8]。智能制造中的感知、分析和決策等重要環(huán)節(jié)都離不開狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)[9]。目前，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是提高功率器件可靠性的最有效的手段和方法[10]。電力電子器件內(nèi)部狀態(tài)提取主要包括：基于電參數(shù)、磁參數(shù)、熱參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)的狀態(tài)提取。其中，基于電參數(shù)的器件狀態(tài)提取方法主要有故障狀態(tài)直接提取[11]和間接提取[12]；基于磁參數(shù)的器件狀態(tài)提取方法主要是巨磁阻場探測器法[13]；基于熱參數(shù)的器件狀態(tài)提取方法主要有物理接觸式測量法[14]、紅外光學(xué)非接觸式測量法[15]、熱敏感電參數(shù)[16]和熱阻抗模型預(yù)測法[17]。這些方法大都不能對功率器件實現(xiàn)非侵入式快速實時監(jiān)測，因此提出一種新的在線監(jiān)測方法——聲發(fā)射檢測技術(shù)。

聲發(fā)射檢測技術(shù)是無損檢測中的一種新方法，它可以提供連續(xù)的狀態(tài)信息，適合設(shè)備的在線監(jiān)控及早期破壞預(yù)警[18-19]。2014年，芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)Karkkainen等[20]采用雙脈沖測試電路和聲發(fā)射測量系統(tǒng)監(jiān)測絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)開關(guān)期間的聲發(fā)射信號，可以清楚地觀察到聲發(fā)射信號是在電力電子模塊的關(guān)閉過程中發(fā)生的。之后，Karkkainen等[21]探究了傳感器帶寬對測量的影響，發(fā)現(xiàn)由于2個傳感器的特性不同，2個傳感器的輸出存在顯著差異，并且KRNBB-PC型聲發(fā)射傳感器檢測到的信號中低頻成分可能是由傳感器內(nèi)部裝置共振引起的。2015年，Karkkainen等[22]通過聲發(fā)射檢測技術(shù)研究了IGBT的電氣故障，通過試驗發(fā)現(xiàn)了IGBT的2種電氣故障可能產(chǎn)生2種聲發(fā)射信號，即立即發(fā)射和故障后發(fā)射。2016年，德國Muller等[23]使用IGBT功率循環(huán)測試電路與聲發(fā)射測量系統(tǒng)，提取了IGBT老化過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，觀察到在關(guān)閉過程中，老化的電力電子模塊在50～150 kHz處的振幅要比未老化的電力電子模塊低。2018年，Davari等[24]建立額定電壓為1200 V和額定電流為25 A的三相功率模塊，發(fā)現(xiàn)循環(huán)數(shù)次后的聲發(fā)射信號頻域最大幅值與零次循環(huán)頻域最大幅值和平均通態(tài)壓降相關(guān)性非常大，并且為所提出方法的概念提供了可靠的證明。國內(nèi)方面，湖南大學(xué)李孟川等[25]通過信號處理與頻譜分析得到了機械應(yīng)力波的時域和頻域特征參數(shù)，例如幅值、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械應(yīng)力波。湖南大學(xué)何赟澤等[26]在低壓條件下，設(shè)計了單脈沖測試電路并對功率MOSFET進行試驗，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)采集的高頻電磁波是由器件漏源電壓導(dǎo)致的，低頻機械應(yīng)力波受柵源電壓和漏源電壓共同影響。

筆者在2種逆變電路正常工作的基礎(chǔ)上，采集了功率器件在不同工作條件下的聲發(fā)射信號，提取了其應(yīng)力波的特征參數(shù)，重點探討了應(yīng)力波的時域峰值、頻域峰值、峰值頻率、上升時間和能量與逆變器電路負載之間的關(guān)系，為逆變器在線監(jiān)測提供了新的方法和新的思路。

1 實驗原理與實驗系統(tǒng)

圖1為聲發(fā)射采集系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器、信號線、前置放大器、同軸電纜、聲發(fā)射儀和PC端。其中，聲發(fā)射傳感器利用壓電效應(yīng)可以將振動信號轉(zhuǎn)化成電信號。聲發(fā)射儀器使用的是德國Vallen公司的ASMY-6多通道聲發(fā)射儀，傳感器型號為帶寬型聲發(fā)射傳感器VS-45H(帶寬范圍為20～450 kHz)，34 dB前置放大器APE5，PC采集軟件為Vallen VisualAE。

圖2為功率器件聲發(fā)射信號的采集原理。在逆變電路工作時，功率器件開關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波經(jīng)過耦合劑到達傳感器表面，傳感器由于壓電效應(yīng)將表面微弱振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過前置放大器被聲發(fā)射儀捕獲，在PC端顯示。在傳感器采集電力電子器件聲發(fā)射信號的過程中，信號會隨著傳播路徑而衰減，并且電路周圍會有電磁干擾影響傳感器采集的信號，為了增強應(yīng)力波的質(zhì)量，往往在器件表面與傳感器表面涂一層固體耦合劑。耦合劑不僅能夠減小聲發(fā)射信號的衰減，而且可以起到一定的潤滑作用，從而減小器件表面與傳感器表面的摩擦。

圖2 功率器件聲發(fā)射信號的采集原理

圖3為方波逆變電路原理圖，圖4為正弦波逆變電路原理圖。方波逆變電路由2個功率MOSFET器件構(gòu)成，2個器件交替導(dǎo)通，當(dāng)VT1導(dǎo)通VT2截止時，輸出端為正電壓;當(dāng)VT1借助VT2導(dǎo)通時，輸出端為負電壓，這樣輸出端就會得到交流方波。正弦波逆變實驗由4個功率MOSFET器件構(gòu)成，V1和V3一組，V2和V4一組，兩組器件交替導(dǎo)通，采用SPWM調(diào)制，這樣輸出端就會得到正弦波。

圖3 方波逆變電路原理圖

圖4 正弦波逆變電路原理圖

圖5為方波逆變實物平臺，圖6為正弦波逆變實物平臺，均采用一套聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。表1為方波逆變實驗參數(shù)設(shè)置，表2為正弦波逆變實驗參數(shù)。方波逆變實驗在6種逆變頻率和6個負載阻值下進行聲發(fā)射信號的采集，正弦波逆變實驗在5種輸出電壓和6個負載阻值下進行聲發(fā)射信號的采集。

圖5 方波逆變實物平臺

圖6 正弦波逆變實物平臺

表1 方波逆變實驗參數(shù)設(shè)置

表2 正弦波逆變實驗參數(shù)設(shè)置

2 方波逆變實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 應(yīng)力波的提取

已知應(yīng)力波在固體中傳播能量損失少，在空氣中傳播能量損失巨大，實驗中傳感器表面與功率器件表面之間采用2種耦合方式，即空氣耦合和固體耦合劑耦合。圖7為空氣耦合和固體耦合劑耦合聲發(fā)射信號的時域與頻域波形。從圖7中可以看出，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號與固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號在時域和頻域上有明顯的不同。在開通時刻信號時域中，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射波形細節(jié)更加豐富，具有一定的信號時長；在開通時刻信號頻域中，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號在100 kHz以下的頻率范圍內(nèi)具有較高的頻域幅值，而空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號在頻域上沒有過多的信息。這說明了器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波會通過固體耦合劑傳播到傳感器，而空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號大多是電路周圍的電磁干擾。

圖7 空氣耦合與固體耦合劑耦合條件下聲發(fā)射信號的時域與頻域波形

經(jīng)過100 kHz低通濾波后的開通應(yīng)力波時域波形如圖8所示。其對應(yīng)的頻域波形如圖9所示。從時域波形中可以看出，應(yīng)力波在器件開通時刻后不久上升到最大值，經(jīng)過一段時間后應(yīng)力波幾乎消失，關(guān)斷應(yīng)力波的幅值比開通應(yīng)力波的幅值大。從頻域波形中可以看出，開通時刻應(yīng)力波有2個峰值，頻率為24 kHz和80 kHz；關(guān)斷應(yīng)力波也有2個峰值，頻率為18 kHz和84.5 kHz。由此可知，關(guān)斷應(yīng)力波頻域峰值比開通應(yīng)力波頻域峰值大。將不同工作條件下的聲發(fā)射信號進行100 kHz低通濾波得到不同工作條件下的應(yīng)力波，下面將從時域和頻域分析應(yīng)力波與實驗參數(shù)的關(guān)系。

圖8 逆變頻率50 Hz負載阻值500 Ω開關(guān)應(yīng)力波時域波形

圖9 開通和關(guān)斷應(yīng)力波頻域波形

2.2 應(yīng)力波時域分析

2.2.1 時域峰值

用MATLAB畫出濾波后的應(yīng)力波的時域圖，依次得到功率器件在開通和關(guān)斷時時域峰值，為了減小誤差，對多個應(yīng)力波時域峰值求取平均值。如圖8所示，逆變頻率為50 Hz、負載阻值為500 Ω的開關(guān)應(yīng)力波開通時刻時域峰值為1.242 mV，關(guān)斷時刻時域峰值為56.9 mV，求出這個開關(guān)時刻前后幾個開關(guān)周期的開關(guān)應(yīng)力波時域峰值，并求取平均值，得到逆變頻率為50 Hz、負載阻值為500 Ω時功率器件開通時應(yīng)力波時域峰值的均值約為1.234 mV，功率器件關(guān)斷時應(yīng)力波時域峰值的均值約為56.89 mV。

根據(jù)上述方法對不同逆變頻率和不同負載阻值的應(yīng)力波求取時域峰值，得到一系列的器件在開通時刻和關(guān)斷時刻的應(yīng)力波時域峰值，如表3和表4所示。

將表3和表4中的數(shù)據(jù)繪制成點線圖，如圖10所示?？梢钥闯?，當(dāng)負載阻值增加時，功率器件開通時刻應(yīng)力波時域峰值在小范圍內(nèi)有減小的趨勢；功率器件關(guān)斷時刻的應(yīng)力波時域峰值隨著負載阻值的增大而減小。在同一個逆變頻率下，輸出電壓不變，負載阻值的增大會導(dǎo)致電流減小，所以應(yīng)力波的幅值也減小，側(cè)面說明應(yīng)力波的幅值隨著電流的增大而增大。

表3 開通時各頻率下每個負載阻值對應(yīng)的時域峰值 單位:mV

表4 關(guān)斷時各頻率下每個負載阻值對應(yīng)的時域峰值 單位:mV

圖10 開通時刻和關(guān)斷時刻應(yīng)力波時域峰值與負載阻值的關(guān)系

2.2.2 能量

信號的能量反映了信號強度的大小，信號的能量越大，其強度越大；信號的能量越小，其強度也越小。圖11為應(yīng)力波的上包絡(luò)線，利用包絡(luò)線求得應(yīng)力波的能量，開通時刻和關(guān)斷時刻應(yīng)力波的能量如表5和表6所示。將求得的開通時刻應(yīng)力波的能量和關(guān)斷時刻應(yīng)力波的能量描繪成點線圖，如圖12所示。從負載阻值與應(yīng)力波能量的關(guān)系中可以看出開通時刻應(yīng)力波的能量與關(guān)斷時刻應(yīng)力波的能量都會隨著負載阻值的增大而減小，關(guān)斷時刻在500 Ω、600 Ω和700 Ω應(yīng)力波的能量減小速度較快，在700 Ω、800 Ω、900 Ω和1000 Ω應(yīng)力波的能量減小速度趨于緩慢。

圖11 應(yīng)力波時域及其上包絡(luò)線

表5 開通時刻信號的能量 單位：×103·mV·mV·μs

表6 關(guān)斷時刻信號的能量 單位：×105·mV·mV·μs

圖12 開通時刻和關(guān)斷時刻應(yīng)力波能量與負載阻值的關(guān)系

2.2.3 上升時間

以器件開通(關(guān)斷)時刻到應(yīng)力波上升到峰值的時刻這段時間稱為應(yīng)力波的上升時間，如圖13所示,可得出逆變頻率為50 Hz、負載電阻為500 Ω的應(yīng)力波上升時間為93.6 μs。按此方法依次得到器件開通和關(guān)斷時刻的應(yīng)力波上升時間如表7和表8所示。

圖13 逆變頻率為50 Hz、負載阻值為500 Ω應(yīng)力波的上升時間

表7 開通時各參數(shù)下的信號上升時間 單位:μs

表8 關(guān)斷時刻各參數(shù)下的信號上升時間 單位:μs

將表7和表8的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點線圖，如圖14所示。可以看出逆變電路工作時，器件開通時刻信號的上升時間幾乎不會隨著負載阻值的改變而改變，最大為94 μs，最小為89.6 μs，整體大約穩(wěn)定在均值92 μs左右；關(guān)斷時刻信號的上升時間很短，且具有隨著負載阻值的增加而增大的趨勢。由逆變電路分析，器件在開通時刻電路的電流從無到有，因此開通時刻無論負載阻值多大，電流瞬時都是從0增加，信號的上升時間基本不變；器件在關(guān)斷時刻電路的電流從有到無，因此關(guān)斷時刻電流瞬時都是從某個值減小，且負載阻值不一樣，關(guān)斷時刻的電流值不一樣，導(dǎo)致信號的上升時間不一樣。

圖14 開通時刻和關(guān)斷時刻應(yīng)力波上升時間與負載阻值的關(guān)系

2.3 應(yīng)力波頻域分析

2.3.1 頻域峰值

已知在100 kHz范圍內(nèi)應(yīng)力波在頻域有2個峰值，如圖15所示，分別為峰值1和峰值2，統(tǒng)計2個峰值的幅值記錄下來。開通時刻2個頻域峰值如表9和表10所示，關(guān)斷時刻兩個頻域峰值如表11和表12所示。

表9 開通時刻應(yīng)力波頻域峰值1 單位:mV

表10 開通時刻應(yīng)力波頻域峰值2 單位:mV

表11 關(guān)斷時刻應(yīng)力波頻域峰值1 單位:mV

表12 關(guān)斷時刻應(yīng)力波頻域峰值2 單位:mV

圖15 應(yīng)力波開通時刻兩個頻域峰值

將表9～表12轉(zhuǎn)換為點線圖，如圖16和圖17所示，可以看出在開通時刻，應(yīng)力波在頻域的2個峰值均會隨著負載阻值的增大而減小；在關(guān)斷時刻，應(yīng)力波在頻域的2個峰值均隨著負載阻值的增大而減小，且頻域峰值2的減小在700～1000 Ω之間趨向于緩慢。

圖16 開通時刻應(yīng)力波的頻域峰值1和峰值2與負載阻值的關(guān)系

圖17 關(guān)斷時刻應(yīng)力波的頻域峰值1和峰值2與負載阻值的關(guān)系

2.3.2 峰值頻率

分別記錄開通時刻和關(guān)斷時刻應(yīng)力波頻域內(nèi)2個峰值的頻率，分別如表13和表14、表15和表16所示。根據(jù)表13～表16可以看出，應(yīng)力波的2個峰值頻率變化不大。開通時刻應(yīng)力波在頻域內(nèi)的2個峰值頻率穩(wěn)定在24 kHz和84 kHz，關(guān)斷時刻應(yīng)力波在頻域內(nèi)的2個峰值頻率為18 kHz、18.5 kHz和84 kHz、84.5 kHz、85 kHz，頻率變化不大，說明應(yīng)力波的峰值頻率不隨負載阻值的改變而改變，也不會隨逆變頻率的改變而改變。

表13 開通時刻應(yīng)力波峰值1的頻率 單位：kHz

表14 開通時刻應(yīng)力波峰值2的頻率 單位：kHz

表15 關(guān)斷時刻應(yīng)力波峰值1的頻率 單位：kHz

表16 關(guān)斷時刻應(yīng)力波峰值2的頻率 單位：kHz

3 正弦波逆變實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 非周期衰減信號的疊加

圖18為6個相同的衰減信號的疊加，信號1～信號6之間的時間間隔不均勻，它們稱為一組非周期衰減信號。6個信號經(jīng)過疊加后如圖中的藍色疊加信號，可以看出，疊加后的信號是不規(guī)則的。

圖18 6個相同的衰減信號及其疊加信號

正弦波逆變電路是利用SPWM脈寬調(diào)制使輸出為正弦波。而SPWM脈寬調(diào)制會使功率器件的開關(guān)不再是一個固定的周期，并且器件開關(guān)速率很快，因此會導(dǎo)致器件在開通和關(guān)斷時刻的聲發(fā)射信號出現(xiàn)非周期的疊加，即上一個聲發(fā)射信號產(chǎn)生后不同的時間內(nèi)都會有新的聲發(fā)射信號產(chǎn)生，在上一個聲發(fā)射信號的持續(xù)時間內(nèi)，會有非等時間間隔的新的聲發(fā)射信號進行疊加，且疊加后的信號是非周期不規(guī)則的，所以聲發(fā)射信號進行后續(xù)的分析時不能夠進行一對一的單個分析，要在一段時間內(nèi)進行全局分析。

3.2 應(yīng)力波的提取

空氣耦合和固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號的時域和頻域波形如圖19所示?？梢钥闯?，在信號的時域中，固體耦合劑條件下的聲發(fā)射信號的幅值比空氣耦合條件下的高；在信號的頻域中，固體耦合劑條件下的聲發(fā)射信號的幅值比空氣耦合條件下的信號多了一個明顯的50 kHz以下的低頻。

采用50 kHz低通濾波器分別對空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號和固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號進行低通濾波，濾波后2種不同耦合方式的聲發(fā)射信號如圖19(c)和圖19(d)所示。在信號的時域中，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號與固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號均有減小，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號保留了濾波之前的信號波形形狀趨勢，而固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號與濾波之前的信號波形有較大差別。根據(jù)上文非周期開關(guān)信號的疊加的介紹，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號在濾波前后產(chǎn)生的較大差別是由于SPWM調(diào)制中功率器件非周期性的開關(guān)造成的，且其變化周期與輸出電壓的周期一致，由輸出電壓過零點變化引起的尖峰脈沖也減小了很多。50 kHz低通濾波后固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號的時域幅值比空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號的時域幅值大，幾乎超過10倍。在信號的頻域中，空氣耦合條件下聲發(fā)射信號的頻域幅值在50 kHz以下幾近為0，而固體耦合劑耦合條件下聲發(fā)射信號的頻域幅值在此頻率段內(nèi)具有2個尖峰，其主頻主要集中在40 kHz左右。通過對空氣耦合和固體耦合劑耦合兩種耦合方式下的聲發(fā)射信號的對比可以發(fā)現(xiàn)，本次實驗中功率器件在開通時刻和關(guān)斷時刻的應(yīng)力波在50 kHz以下。

圖19 空氣耦合與固體耦合劑耦合時域與頻域波形

由于正弦波逆變實驗中功率器件的開關(guān)周期都比較短，器件的開關(guān)時間短且不均勻，出現(xiàn)了聲發(fā)射信號(應(yīng)力波信號)的疊加，因此之后的信號數(shù)據(jù)處理與分析時不能夠像方波逆變實驗中那樣單獨分析1個應(yīng)力波，要利用信號的整體分析法來進行信號的處理與分析。圖20為正弦波逆變實驗應(yīng)力波的瞬態(tài)時域波形和瞬態(tài)頻域波形。可以看出經(jīng)過SPWM調(diào)制后應(yīng)力波疊加后的波形不具有衰減性，其瞬時頻域具有1個40 kHz左右的頻域峰值。

圖20 應(yīng)力波的瞬態(tài)時域波形與瞬態(tài)頻域波形

3.3 應(yīng)力波時域分析

與方波逆變實驗的數(shù)據(jù)不同，正弦波逆變實驗的聲發(fā)射信號由于疊加在一起，無法單個分析信號的上升時間，只能對信號的時域峰值、能量、頻域峰值和峰值頻率進行分析。將固體耦合即條件下的不同輸出電壓與不同負載阻值下的聲發(fā)射信號進行50 kHz濾波處理，分析信號的時域峰值、能量、頻域峰值和峰值頻率。

3.3.1 時域峰值

提取聲發(fā)射儀采集的一個聲發(fā)射數(shù)據(jù)點，該數(shù)據(jù)點包含一個長度為0.1 s的數(shù)據(jù)長度的應(yīng)力波，將該數(shù)據(jù)進行低通50 kHz濾波。圖21為輸出電壓為190 V空載條件下的時域圖。

圖21 輸出電壓為190V空載條件下的時域圖

將低通濾波后的數(shù)據(jù)進行0.1 s長度內(nèi)的峰值標(biāo)記與求平均值，可以得到輸出電壓190 V空載條件下的應(yīng)力波的時域峰值為0.7870 mV，按照此方法將輸出電壓為190 V、200 V、210 V、220 V和230 V，負載阻值為500 Ω、600 Ω、700 Ω、800 Ω、900 Ω和1000 Ω條件下的應(yīng)力波時域峰值提取出來，表17為不同輸出電壓下各負載阻值對應(yīng)的時域峰值。

由表17中的數(shù)據(jù)可以看出，輸出電壓為190 V、200 V、210 V、220 V和230 V時，不同負載阻值的應(yīng)力波時域峰值大致在0.75 mV、0.4 mV、0.34 mV、0.5 mV和0.6 mV左右，為了直觀地將應(yīng)力波的變化趨勢體現(xiàn)出來，將表17中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點線圖,如圖22所示。可以看出，輸出電壓為190 V、200 V、210 V和220 V時，隨著負載阻值的增大，應(yīng)力波的時域峰值沒有很大的變化，趨向于穩(wěn)定狀態(tài)；輸出電壓為230 V時，隨著負載阻值的增大，其應(yīng)力波的時域峰值具有向下減小的趨勢。

表17 不同輸出電壓下各負載阻值對應(yīng)的時域峰值 單位:mV

圖22 不同輸出電壓和負載阻值下的應(yīng)力波時域峰值

3.3.2 能量

由于對應(yīng)力波進行了疊加，那么應(yīng)力波的能量也會相應(yīng)增大，對應(yīng)力波的包絡(luò)線求取能量，圖23為應(yīng)力波時域波形及其上包絡(luò)線。

圖23 應(yīng)力波時域波形及其上包絡(luò)線

將低通濾波后的所有數(shù)據(jù)進行0.1 s長度內(nèi)的上包絡(luò)線求取，再依次求得每個上包絡(luò)線的能量，可以得到不同輸出電壓下各負載阻值對應(yīng)的信號能量，如表18所示。

表18 不同輸出電壓下各負載阻值對應(yīng)的信號能量 單位：×105·mV·mV·μs

將表18中的能量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點線圖，如圖24(a)所示。可以看出在輸出電壓為190 V、200 V、210 V和220 V時，隨著負載阻值的增大，功率器件的應(yīng)力波能量幾乎不變，輸出電壓為230 V時，隨著負載阻值的增大，其功率器件的應(yīng)力波能量略微有向下減小的趨勢，這與前面應(yīng)力波時域峰值隨負載阻值變化規(guī)律一致。

3.4 應(yīng)力波頻域分析

3.4.1 頻域峰值

將濾波之后的應(yīng)力波進行傅里葉變換，得到不同輸出電壓下各負載阻值的頻域幅值，如表19所示。

表19 不同輸出電壓下各負載阻值對應(yīng)的頻域幅值 單位:mV

將表19中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點線圖，如圖24(b)所示，可以看出同一個輸出電壓下，隨著負載的改變，應(yīng)力波的頻域幅值幾乎不變。

圖24 應(yīng)力波能量和應(yīng)力波頻域峰值與負載阻值的關(guān)系

3.4.2 頻域峰值

表20為不同輸出電壓與不同負載阻值下的應(yīng)力波峰值頻率，可以看出應(yīng)力波的峰值頻率在40 kHz左右，最大為40.01 kHz、最小為39.7 kHz，可以得到應(yīng)力波的峰值頻率基本不變。

表20 不同輸出電壓下各負載阻值下的峰值頻率 單位：kHz

4 結(jié)束語

基于2種逆變電路對功率器件進行聲發(fā)射檢測，采集了不同輸出電壓與不同負載阻值下的聲發(fā)射信號，提取了功率器件在開關(guān)狀態(tài)下的應(yīng)力波，通過對機械應(yīng)力波的提取、處理和分析，可以得出以下結(jié)論。

① 通過空氣耦合和固體耦合劑耦合的對比試驗，驗證了方波逆變電路中功率器件產(chǎn)生的應(yīng)力波頻率位于100 kHz以內(nèi)，正弦波逆變電路應(yīng)力波位于50 kHz以內(nèi)。

② 方波逆變實驗應(yīng)力波時域特征值：在器件開通和關(guān)斷時刻，應(yīng)力波的時域峰值都會隨負載阻值的增大而減??；應(yīng)力波在開通和關(guān)斷時刻的能量隨負載阻值的增大而減小；器件開通時刻的應(yīng)力波上升時間幾乎不隨負載電阻的變化而變化，穩(wěn)定在92 μs左右；器件關(guān)斷時刻應(yīng)力波的上升時間非常短，并且隨著負載電阻的增加而上升。

③ 方波逆變實驗應(yīng)力波頻域特征值：隨著負載阻值的增加，開通時刻應(yīng)力波的2個頻域峰值都具有減小的趨勢，關(guān)斷時刻應(yīng)力波的2個頻域峰值也隨著負載阻值的增大而減?。粦?yīng)力波的峰值頻率幾乎不隨負載電阻的變化而變化，也不隨逆變器頻率的變化而變化。

④ 正弦波逆變實驗應(yīng)力波時域特征值：輸出電壓一定的條件下，隨著負載阻值的增大，應(yīng)力波的時域峰值基本不變；輸出電壓不變的條件下，隨著負載阻值的增大，應(yīng)力波的能量基本不變。

⑤ 正弦波逆變實驗應(yīng)力波頻域特征值：在同一個輸出電壓下，隨著負載阻值的增大，應(yīng)力波的頻域峰值基本不變；不同輸出電壓與不同負載阻值下應(yīng)力波的峰值頻率均為40 kHz左右。

基于以上實驗研究，為后續(xù)的器件老化監(jiān)測提供了理論基礎(chǔ)，為電力電子功率器件狀態(tài)監(jiān)測提出了一種新的方法與思路。