耿學(xué)鋒 何赟澤 王廣鑫 劉松源 李運(yùn)甲

IGBT關(guān)斷時(shí)刻的應(yīng)力波測(cè)量?jī)?yōu)化及影響因素分析

耿學(xué)鋒1何赟澤1王廣鑫1劉松源1李運(yùn)甲2

（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）

絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）是電能變換的核心器件，其健康狀態(tài)與系統(tǒng)的可靠運(yùn)行直接相關(guān)。聲發(fā)射（AE）是一種快速、無(wú)損、在線的檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，在IGBT的狀態(tài)評(píng)估中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。已有的研究表明：IGBT在關(guān)斷瞬間能夠產(chǎn)生應(yīng)力波（SW），且AE傳感器能夠?qū)?yīng)力波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，但在測(cè)量時(shí)容易受到周圍電場(chǎng)的干擾。該文分析了普通AE傳感器干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因，提出基于差分式AE傳感器的應(yīng)力波測(cè)量方法，并從理論角度論證了差分式AE傳感器的抗干擾機(jī)理。搭建試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)證明差分式AE傳感器具有較好的抗電氣干擾能力，能夠?qū)GBT關(guān)斷應(yīng)力波進(jìn)行有效地提取。進(jìn)一步地，對(duì)不同關(guān)斷電流條件下的IGBT進(jìn)行應(yīng)力波的測(cè)量和分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)斷電流與應(yīng)力波的強(qiáng)度強(qiáng)相關(guān)，可為后續(xù)探索應(yīng)力波產(chǎn)生機(jī)理及實(shí)現(xiàn)IGBT在線監(jiān)測(cè)提供參考。

聲發(fā)射 IGBT關(guān)斷 應(yīng)力波 干擾抑制

0 引言

電力電子器件在智能電網(wǎng)、特種電源、高鐵牽引、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，保障其可靠安全運(yùn)行將具有重要意義[1–7]。電力電子器件一旦發(fā)生故障或者性能弱化，會(huì)對(duì)整個(gè)裝置乃至系統(tǒng)造成極大危害[8]。狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)是保障與提高電力電子器件可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)主要建立在對(duì)器件的電、磁、熱等物理信息進(jìn)行測(cè)量之上[9-14]。雖然這些方法均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是卻很難同時(shí)滿足快速、無(wú)損、在線的需求。

聲發(fā)射（Acoustic Emission, AE）是材料內(nèi)部能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波（在本文中被稱為應(yīng)力波（Stress Wave, SW））的檢測(cè)技術(shù)，具有快速、無(wú)損、在線的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(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)葉片及健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[15]。如果能把聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在功率器件的監(jiān)測(cè)或者檢測(cè)中，勢(shì)必能夠進(jìn)一步完善電力電子器件的可靠性評(píng)估理論。

國(guó)外機(jī)構(gòu)最先開(kāi)始對(duì)絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）應(yīng)力波進(jìn)行相關(guān)研究。文獻(xiàn)[16]通過(guò)研究從IGBT模塊到聲發(fā)射傳感器之間的傳播延時(shí)，首次證明了IGBT在關(guān)斷時(shí)刻會(huì)有應(yīng)力波的產(chǎn)生。隨后，一些學(xué)者開(kāi)始驗(yàn)證并探索應(yīng)力波在表征IGBT狀態(tài)時(shí)的可能性和方法，其中文獻(xiàn)[17]通過(guò)試驗(yàn)得到了短路狀態(tài)下IGBT的兩種不同類型的應(yīng)力波信號(hào)；文獻(xiàn)[18]對(duì)比健康狀態(tài)和退化狀態(tài)下IGBT的頻譜，發(fā)現(xiàn)退化狀態(tài)IGBT應(yīng)力波的頻譜相較于健康狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變；文獻(xiàn)[19]則提出利用應(yīng)力波信號(hào)最大絕對(duì)值殘差法來(lái)評(píng)估器件的老化程度，并通過(guò)功率循環(huán)試驗(yàn)與傳統(tǒng)的集電極飽和電壓法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性。

國(guó)內(nèi)對(duì)IGBT應(yīng)力波的研究則起步較晚。文獻(xiàn)[20]利用數(shù)字濾波技術(shù)試圖對(duì)IGBT的關(guān)斷應(yīng)力波進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)傳感器所測(cè)到的信號(hào)同時(shí)包含低頻和高頻分量，且低頻分量的強(qiáng)度與電流大小呈正相關(guān)；進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[21]則對(duì)比耦合劑和空氣耦合條件下MOSFET開(kāi)通關(guān)斷時(shí)的傳感器信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其高頻分量可以通過(guò)空氣傳播，而低頻分量只能通過(guò)固體介質(zhì)傳播，這證明傳感器所測(cè)信號(hào)的低頻信號(hào)即為應(yīng)力波信號(hào)（應(yīng)力波的傳播需要介質(zhì)的存在），而高頻分量則為耦合到傳感器中的脈沖干擾信號(hào)。然而由于脈沖信號(hào)在各個(gè)頻率段都存在分量，利用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)應(yīng)力波提取存在缺陷。因此，有必要研究此脈沖干擾信號(hào)的來(lái)源，并將其與應(yīng)力波解耦，以進(jìn)一步分析應(yīng)力波的影響因素及來(lái)源。

本文首先分析AE傳感器干擾信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)單端和差分AE傳感器進(jìn)行抗干擾試驗(yàn)的對(duì)比測(cè)試；隨后通過(guò)對(duì)信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行提取和分析，得到關(guān)斷電流對(duì)IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的影響結(jié)果。

1 理論描述及研究思路

1.1 AE傳感器工作原理

AE傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。AE傳感器在實(shí)際應(yīng)用中可分為接觸型和非接觸型兩類。往往由于大部分聲發(fā)射信號(hào)極其微弱，所以接觸式聲發(fā)射傳感器的應(yīng)用較為廣泛，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1a所示。在對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，傳感器的耦合面和物體界面之間采用耦合劑耦合，以減小聲發(fā)射源所釋放彈性波在不同固體界面?zhèn)鞑r(shí)的反射和衰減，保證其最終能夠傳播到壓電晶體。根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電晶體能夠?qū)椥圆ㄐ盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出。

圖1 AE傳感器結(jié)構(gòu)原理

通常在聲發(fā)射傳感器中僅考慮壓電晶體厚度方向（即圖1b所示軸方向）的壓電效應(yīng)[22-23]，即

式中，3為壓電晶體軸厚度方向所受到的應(yīng)力（N/m2）；3為軸厚度方向壓電晶體內(nèi)部產(chǎn)生的極化電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）；33為軸厚度所示方向的壓電常數(shù)（(V?m)/N）。

根據(jù)靜電場(chǎng)理論

可計(jì)算開(kāi)路電壓，即傳感器的輸出電壓信號(hào)AE，有

式中，AE為壓電晶體在軸厚度方向所輸出的電壓值（V）；為壓電晶體的厚度（m）。

1.2 單端式AE傳感器的干擾信號(hào)耦合機(jī)理

AE傳感器周圍電壓變化的時(shí)候，由于電位差的存在，附近導(dǎo)體會(huì)和傳感器內(nèi)部輸出端子之間產(chǎn)生一個(gè)分布電容，即互容。因此周圍變化的電壓便可以通過(guò)此電容耦合到傳感器中產(chǎn)生干擾信號(hào)，其耦合機(jī)理和等效電路分別如圖2和圖3所示，其中回路1為傳感器附近導(dǎo)體，回路2為傳感器內(nèi)部輸出端子。

圖2 傳感器中干擾信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理

圖3 傳感器產(chǎn)生干擾信號(hào)的等效電路

由基爾霍夫定律，輸出噪聲電壓noise滿足

式中，為下一級(jí)的輸入電阻（Ω）。進(jìn)一步地，式（5）在頻域中可以表示為

1.3 差分式AE傳感器的干擾信號(hào)抑制機(jī)理

差分式AE傳感器內(nèi)部含有兩個(gè)極性相反的壓電陶瓷片，與以往文獻(xiàn)中所采用的單端式聲發(fā)射傳感器相比，抗電氣干擾能力大大增強(qiáng)，適用于變壓器、電機(jī)等電場(chǎng)和磁場(chǎng)交互復(fù)雜的場(chǎng)合。其中，單端式和差分式的AE傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖4所示。

圖4 不同類型AE傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比

在圖4b所示的差分式AE傳感器中，外界電壓變化通過(guò)分布電容分別耦合到差分線1、2上所輸出的噪聲電壓noise1、noise2滿足

式中，1、2分別為壓電陶瓷1、2的后級(jí)輸入電阻（Ω）；1、2分別為壓電陶瓷1、2后級(jí)回路與傳感器附近導(dǎo)體之間的互容（F）。

因此在對(duì)應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，差分線1、2輸出的信號(hào)out1、out2滿足

式中，AE1、AE2分別為應(yīng)力波作用下壓電陶瓷1和壓電陶瓷2所輸出的電壓（V）。

由于差分式AE傳感器內(nèi)部壓電陶瓷極性相反且傳感器結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，因此滿足

通過(guò)對(duì)差分線1、2的輸出進(jìn)行差分運(yùn)算，可得到傳感器最終輸出的電壓信號(hào)out為

由式（15）可知，差分式AE傳感器不僅具有較高的抗電氣干擾能力，且輸出響應(yīng)也有所提高。

1.4 IGBT應(yīng)力波提取及研究思路

文獻(xiàn)[16, 20-21]均認(rèn)為應(yīng)力波的產(chǎn)生與電流的瞬變有關(guān)。而IGBT在關(guān)斷瞬間不僅存在電流的瞬變，集電極電位也會(huì)發(fā)生較大的變化，由此而產(chǎn)生的d/d會(huì)被耦合至聲發(fā)射傳感器中。因此若要對(duì)IGBT應(yīng)力波進(jìn)行相關(guān)研究，必須解耦此干擾信號(hào)以保證AE傳感器所測(cè)信號(hào)來(lái)自IGBT內(nèi)部。在對(duì)IGBT應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行有效測(cè)量后才能對(duì)IGBT應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的特征提取，并分析不同條件下應(yīng)力波的變化規(guī)律。文中IGBT應(yīng)力波的提取及研究思路如圖5所示。

圖5 IGBT應(yīng)力波的提取及研究思路

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 單脈沖試驗(yàn)裝置

IGBT在關(guān)斷時(shí)刻會(huì)有應(yīng)力波的產(chǎn)生，因此本文使用脈沖觸發(fā)電路對(duì)IGBT進(jìn)行單次脈沖關(guān)斷以記錄IGBT單次關(guān)斷時(shí)刻所產(chǎn)生的應(yīng)力波。IGBT脈沖觸發(fā)電路原理如圖6所示。脈沖觸發(fā)電路由待測(cè)器件（Device under Test, DUT）VT2、續(xù)流器件VT1、負(fù)載電感l(wèi)oad、2×20μF母線電容、恒壓源dc組成（如圖6a所示）。圖6b為脈沖觸發(fā)電路的時(shí)序，其工作原理如下：當(dāng)=on時(shí)，通過(guò)給DUT一個(gè)正的電壓脈沖，VT2導(dǎo)通，電流流向如路徑Ⅰ所示，此時(shí)由于負(fù)載電感l(wèi)oad的存在，電流無(wú)法瞬態(tài)變化，并且線性增大，因此基本不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波[20]；當(dāng)=off時(shí)，IGBT關(guān)斷，此時(shí)上管VT1起到續(xù)流的作用，電流路徑如Ⅱ所示，此時(shí)電流發(fā)生瞬變，從關(guān)斷值ce迅速降為0，這個(gè)瞬間VT2可以產(chǎn)生應(yīng)力波。脈沖觸發(fā)電路的實(shí)物搭建如圖7所示，DUT的型號(hào)選用IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU，并分別使用羅氏線圈（DK—MIN350）、高壓差分傳感器（THDP0200）對(duì)其集-射電流ce、柵-射電壓ge和集-射電壓ce進(jìn)行測(cè)量；高壓直流電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器分別采用62100H—1000、DG4162、MDO3024，以提供電壓支撐、產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和顯示波形。

圖6 IGBT脈沖觸發(fā)電路原理

圖7 IGBT脈沖觸發(fā)測(cè)試平臺(tái)

2.2 聲發(fā)射測(cè)試平臺(tái)

通常來(lái)講，完整的聲發(fā)射信號(hào)采集流程可以分為以下三個(gè)過(guò)程：

（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)的采集工作主要由AE傳感器來(lái)完成，而當(dāng)前主流的AE傳感器主要利用壓電效應(yīng)將應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，從而完成測(cè)量。

（2）信號(hào)前處理。聲發(fā)射信號(hào)一般都較為微弱，所以為了提高所采集數(shù)據(jù)的信噪比，必須要對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)那疤幚?。通常前處理可以使用硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)：硬件上使用前置放大器以放大所測(cè)量的聲發(fā)射信號(hào)并實(shí)現(xiàn)傳感器（高阻抗）和聲發(fā)射采集儀（低阻抗）之間的阻抗匹配；軟件上可以通過(guò)在聲發(fā)射采集處理軟件中設(shè)置合理的觸發(fā)閾值和帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以達(dá)到抑制噪聲的目的[15]。

（3）信號(hào)后處理。經(jīng)過(guò)前兩個(gè)階段得到較為理想的聲發(fā)射信號(hào)后，可以利用聲發(fā)射軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理（如濾波、傅里葉變換），提取信號(hào)特征參數(shù)。在這過(guò)程中可以利用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，以提高處理的效率。

需要注意的是，經(jīng)過(guò)前置放大器作用的信號(hào)也可以直接輸出至示波器中顯示，這使得試驗(yàn)過(guò)程中可以利用示波器將聲發(fā)射信號(hào)和電信號(hào)進(jìn)行同步對(duì)比，有助于理解干擾信號(hào)的耦合機(jī)理，因此2.3節(jié)所述試驗(yàn)采用示波器MDO3024來(lái)獲得AE傳感器所測(cè)量的波形。然而由于示波器難以對(duì)采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，故在2.4節(jié)所述試驗(yàn)中，采用華倫聲發(fā)射采集儀ASMY—6及聲發(fā)射處理軟件（Vallen Visual AE）對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，以得到不同關(guān)斷電流的條件下IGBT應(yīng)力波特征的變化規(guī)律。

2.3 不同聲發(fā)射傳感器抗干擾對(duì)比試驗(yàn)

為對(duì)比電場(chǎng)變化對(duì)AE傳感器的干擾程度，可以使用信號(hào)發(fā)生器直接輸出電壓波形至聲發(fā)射傳感器的耦合面，以確定不同類型電壓波形對(duì)聲發(fā)射傳感器的影響。本文選用華倫單端AE傳感器VS—45H和富士差分AE傳感器AE503D進(jìn)行抗電場(chǎng)干擾的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖8所示。試驗(yàn)過(guò)程中首先讓信號(hào)發(fā)生器DG4162輸出變化的電壓信號(hào)（頻率改變的正弦信號(hào)、周期改變的方波信號(hào)、幅值改變的方波信號(hào)）至金屬板，并將兩種AE傳感器貼合在金屬板上，接著通過(guò)前置放大器PXPA6輸出至示波器，以單獨(dú)清晰地測(cè)量電場(chǎng)變化耦合到傳感器中的干擾信號(hào)。

圖8 不同AE傳感器的抗干擾對(duì)比試驗(yàn)裝置

另外，為探究差分式聲發(fā)射傳感器對(duì)于IGBT應(yīng)力波提取是否有較好的抗干擾能力，并直觀地與電信號(hào)作同步對(duì)比，試驗(yàn)過(guò)程中將兩種類型聲發(fā)射傳感器通過(guò)真空封脂耦合劑貼至DUT的金屬側(cè)并用示波器同時(shí)記錄IGBT在開(kāi)通關(guān)斷時(shí)的聲發(fā)射傳感器輸出信號(hào)out、集-射電壓ce、柵-射電壓ge和集-射電流信號(hào)ce，試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 不同AE傳感器測(cè)量IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的試驗(yàn)裝置

2.4 關(guān)斷電流對(duì)應(yīng)力波的影響試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證差分AE傳感器的有效性，本文采用控制變量法，固定其他電參數(shù)保持不變，改變關(guān)斷電流，對(duì)兩種不同型號(hào)IGBT（IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU）進(jìn)行獨(dú)立試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 不同關(guān)斷電流條件下IGBT關(guān)斷應(yīng)力波試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)利用脈沖測(cè)試平臺(tái)對(duì)IGBT進(jìn)行單脈沖關(guān)斷試驗(yàn)，通過(guò)包含差分式AE傳感器的聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并提取特征，最后采用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同傳感器抗干擾性能對(duì)比

由第1節(jié)可知，AE傳感器在周圍存在電場(chǎng)的變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)。當(dāng)激勵(lì)為正弦波和方波信號(hào)時(shí)，單端式AE傳感器華倫VS—45H和差分式AE傳感器富士AE503D的響應(yīng)如圖11所示。

圖11 不同傳感器在不同激勵(lì)下的響應(yīng)

由圖11可知，對(duì)于單端AE傳感器來(lái)講，當(dāng)激勵(lì)為正弦信號(hào)時(shí)，傳感器的響應(yīng)是一個(gè)相位發(fā)生變化的正弦波；當(dāng)激勵(lì)為方波信號(hào)時(shí)，傳感器的響應(yīng)為脈沖信號(hào)。而對(duì)于內(nèi)部含有兩個(gè)相反極性壓電陶瓷片的差分AE傳感器，無(wú)論激勵(lì)是正弦信號(hào)還是方波信號(hào)，傳感器的響應(yīng)都不是很明顯，這說(shuō)明差分傳感器對(duì)變化電壓的抗干擾能力有所增強(qiáng)。

為進(jìn)一步量化差分傳感器相對(duì)于單端傳感器的抗干擾強(qiáng)化程度，定義相對(duì)增益Gain為

式中，vallen為華倫單端傳感器的輸出電壓（mV）；fuji為富士差分傳感器的輸出電壓（mV）。Gain越大，表示富士差分傳感器的抗干擾能力越強(qiáng)。

改變信號(hào)發(fā)生器輸出正弦電壓信號(hào)的頻率，并保持電壓幅值不變，提取VS—45H和AE503D傳感器的響應(yīng)峰值、峰-峰值，并計(jì)算相對(duì)增益Gain，結(jié)果如圖12所示。同樣地，改變輸入方波電壓信號(hào)的周期并保持峰值不變，計(jì)算不同傳感器的響應(yīng)峰值、峰-峰值及相對(duì)增益Gain，結(jié)果如圖13所示。改變輸入方波信號(hào)的幅值并保持周期不變，計(jì)算不同傳感器的響應(yīng)峰值、峰-峰值及相對(duì)增益Gain，結(jié)果如圖14所示。由圖12～圖14的結(jié)果可知，差分AE傳感器相對(duì)于單端AE傳感器的抗電氣干擾能力大大增強(qiáng)。

圖12 不同頻率正弦信號(hào)兩傳感器的響應(yīng)值及相對(duì)增益

圖13 不同周期方波信號(hào)兩傳感器的響應(yīng)值及相對(duì)增益

圖14 不同幅值方波信號(hào)兩傳感器的響應(yīng)值及相對(duì)增益

3.2 IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的提取

應(yīng)力波是能量在固體介質(zhì)中傳播形成的，可通過(guò)AE傳感器進(jìn)行提取。而由3.1節(jié)可知，差分AE傳感器能夠大大提升測(cè)量時(shí)的抗電氣干擾能力，本節(jié)選擇IKW40N120T2I作為待測(cè)對(duì)象，利用脈沖觸發(fā)電路，分別使用華倫單端傳感器VS—45H和富士差分傳感器AE503D對(duì)其進(jìn)行關(guān)斷應(yīng)力波的提取，并輸出至示波器，試驗(yàn)波形如圖15所示。

圖15 不同AE傳感器測(cè)到的IGBT應(yīng)力波信號(hào)對(duì)比

由圖15可知，單端AE傳感器所測(cè)到的信號(hào)顯然存在脈沖干擾信號(hào)，而利用差分AE傳感器所測(cè)到的信號(hào)已經(jīng)屏蔽了周圍電壓變化帶來(lái)的干擾，此時(shí)獲得的信號(hào)即為IGBT關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力波。進(jìn)一步地，還可以發(fā)現(xiàn)IGBT的開(kāi)通時(shí)刻（電流為0）并沒(méi)有應(yīng)力波的產(chǎn)生，而在IGBT關(guān)斷時(shí)刻（電流發(fā)生瞬變）則產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力波信號(hào)。在獲得IGBT應(yīng)力波信號(hào)后，需要對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，得到如圖16所示的應(yīng)力波的時(shí)頻圖，并提取其時(shí)頻特征，主要包括幅值、峰-峰值、20～30kHz頻段（第一主頻）峰值及頻率、80～100kHz頻段（第二主頻）峰值及頻率、信號(hào)能量。其中信號(hào)能量的表達(dá)式為

式中，p(t)為采集到的應(yīng)力波信號(hào)。

3.3 關(guān)斷電流對(duì)應(yīng)力波的影響

3.3.1 噪聲的影響分析

在使用聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)IGBT關(guān)斷應(yīng)力波進(jìn)行采集前，首先需要對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行測(cè)試，得到噪聲幅值為65～70dB。噪聲幅值A(chǔ)mp與測(cè)量電壓的關(guān)系為

式中，0為基準(zhǔn)電壓值，0=0.001mV；為傳感器得到的測(cè)量電壓（mV）。

3.3.2 關(guān)斷電流的影響分析

在本組試驗(yàn)中，脈沖觸發(fā)電路的詳細(xì)電參數(shù)見(jiàn)表1，表中，為開(kāi)通信號(hào)周期，為開(kāi)通信號(hào)占空比。

表1 IGBT單脈沖觸發(fā)電路參數(shù)

Tab.1 Parameters of IGBT’s pulse test circuit

將波形調(diào)試成功以后，控制母線電壓dc保持不變，通過(guò)更換負(fù)載電感l(wèi)oad來(lái)改變關(guān)斷電流的大小。當(dāng)load=100μH、200μH、300μH、500μH、600μH時(shí)，器件IKW40N120T2所對(duì)應(yīng)的關(guān)斷電流ce=70A、40A、25.2A、16.4A、14.2A；器件FGH60N60SDTU所對(duì)應(yīng)的關(guān)斷電流為ce=65A、35A、23.2A、14.2A、10.8A。隨后得到各個(gè)關(guān)斷電流條件下的應(yīng)力波，提取信號(hào)的時(shí)頻特征見(jiàn)表2，其中應(yīng)力波信號(hào)峰值、峰-峰值、信號(hào)能量、第一主頻峰值、第二主頻峰值與ce相關(guān)性較高，將其擬合后如圖17～圖21所示。可以得到，關(guān)斷電流ce的值與應(yīng)力波的強(qiáng)度呈正相關(guān)。

圖17 Ice對(duì)應(yīng)力波幅值的影響

表2ce對(duì)應(yīng)力波特征參數(shù)的影響

Tab.2 Effect of Ice on the characteristic parameters of stress wave

圖18 Ice對(duì)應(yīng)力波峰-峰值的影響

圖19 Ice對(duì)應(yīng)力波信號(hào)能量的影響

圖20 Ice對(duì)應(yīng)力波第一主頻峰值的影響

圖21 Ice對(duì)應(yīng)力波第二主頻峰值的影響

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了AE傳感器脈沖干擾信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)比了單端式和差分式AE傳感器的抗干擾性能，測(cè)試了IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU在不同關(guān)斷電流ce時(shí)的應(yīng)力波信號(hào)。主要結(jié)論如下：

1）周圍電壓的變化會(huì)對(duì)普通單端式AE傳感器產(chǎn)生干擾。由于不同回路導(dǎo)體間互容的存在，變化的電壓會(huì)通過(guò)互容，從一個(gè)回路耦合到另一個(gè)回路，產(chǎn)生串?dāng)_。

2）差分式AE傳感器在提取IGBT關(guān)斷應(yīng)力波時(shí)具有更好的效果。IGBT開(kāi)通關(guān)斷時(shí)電壓的變化會(huì)耦合至傳感器回路中形成干擾，而利用差分式AE傳感器可以解耦此干擾信號(hào)，提高抗電氣干擾能力。

3）關(guān)斷電流是影響IGBT關(guān)斷應(yīng)力波強(qiáng)度的重要因素。通過(guò)控制變量法，用差分式AE傳感器對(duì)不同關(guān)斷電流條件下的IGBT關(guān)斷應(yīng)力波進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)關(guān)斷電流與應(yīng)力波幅值、峰-峰值、信號(hào)能量、第一主頻峰值、第二主頻峰值均呈強(qiáng)正相關(guān)。

4）從兩個(gè)器件的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)關(guān)斷電流對(duì)第一主頻峰值的影響更大，可以利用監(jiān)測(cè)第一主頻峰值的變化來(lái)在線監(jiān)測(cè)IGBT健康狀態(tài)。

然而到目前為止，有關(guān)IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的產(chǎn)生機(jī)理仍然沒(méi)有一個(gè)明確解釋，后續(xù)工作中需要進(jìn)一步對(duì)IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的機(jī)理進(jìn)行研究；另外，對(duì)器件進(jìn)行老化和失效試驗(yàn)，并形成以超聲信號(hào)特征量為判斷依據(jù)的IGBT健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法也是未來(lái)的研究方向。

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Measurement Optimization and Analysis of Influencing Factors of IGBT’s Turn-off Stress Wave

Geng Xuefeng1He Yunze1Wang Guangxin1Liu Songyuan1Li Yunjia2

（1. College of Electrical and Information Engineering Hunan University Changsha 410082 China 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Insulated gate bipolar transistor (IGBT) is the key component of power conversion, and its health state is directly related to the safe operation of the system. Acoustic emission (AE) is a fast, non-destructive and on-line detection method, which is widely used in power industry, and has potential application value in the condition evaluation of IGBT. It is reported that IGBT can generate the stress wave (SW) at the moment of turn-off, while AE sensors can measure SW signals. However, AE sensors are susceptible to interference from surrounding electric fields when measuring SW signals. In this paper, the causes of interference signals in AE sensors were analyzed, a method for measuring SW based on differential AE sensor was presented, and the anti-interference mechanism of differential AE sensor was demonstrated theoretically. The experimental results show that the differential AE sensor has good resistance to electrical interference and can extract the turn-off stress wave of IGBT effectively. Further, stress waves of IGBT under the condition of different turn-off current were extracted. It can be concluded that the turn-off current is strongly related to the strength of the SW, which can provide a reference for the exploration of the generation mechanism of stress waves and the realization of online monitoring of IGBT in the future.

Acoustic emission, IGBT’s turn-off, stress wave, interference suppression

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211249

TM930

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52077063）、長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目（kq2004006）、湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目科技人才專項(xiàng)（2018RS3039）和電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（EIPE20202）資助。

2021-08-11

2021-10-19

耿學(xué)鋒 男，1998 年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b備的故障檢測(cè)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。E-mail：gengxuefeng_hnu@163.com

何赟澤 男，1983 年生，博士，教授，研究方向?yàn)楣收蠙z測(cè)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。E-mail：hejicker@163.com（通信作者）

（編輯 李冰）