何東欣 魏君宇 王婉君 徐喆 李清泉

界面缺陷及老化狀態(tài)下電力電子器件封裝絕緣應(yīng)力波檢測與分析

何東欣1魏君宇1王婉君2徐喆1李清泉1

（1. 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院山東省特高壓輸變電技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 濟(jì)南 250061 2. 國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司 濟(jì)南 250000）

電力電子器件在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，該信號可以表征器件的內(nèi)部信息和工作狀態(tài)，可用于器件的在線監(jiān)測。該文首先從測量絕緣內(nèi)部空間電荷的電聲脈沖法原理出發(fā)，從封裝絕緣的角度對脈沖邊沿時(shí)刻應(yīng)力波的形成機(jī)理進(jìn)行了深入探討，發(fā)現(xiàn)絕緣材料中空間電荷在脈沖邊沿處的振動(dòng)可能是應(yīng)力波的發(fā)射源之一。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置具有單一的界面缺陷和老化缺陷的試樣，進(jìn)行脈沖邊沿時(shí)刻的應(yīng)力波檢測，并將其與正常狀態(tài)下的應(yīng)力波進(jìn)行對比，探究不同缺陷類型對應(yīng)力波參數(shù)的影響。結(jié)果顯示，界面缺陷會(huì)使得應(yīng)力波在高頻處產(chǎn)生新的峰，而老化缺陷則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波的頻域分量向低頻處集中，不同的缺陷類型與應(yīng)力波的時(shí)域和頻域檢測結(jié)果存在良好的對應(yīng)關(guān)系。該研究可為建立電力電子器件缺陷狀態(tài)與應(yīng)力波參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

電力電子器件 應(yīng)力波 狀態(tài)監(jiān)測 界面缺陷 老化狀態(tài)

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，以IGBT、MOSFET為代表的電力電子器件具有體積小、作用靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在直流輸電、新能源并網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而，電力電子器件的可靠性卻難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需求。調(diào)查報(bào)告顯示，電力系統(tǒng)中發(fā)生的絕大多數(shù)故障都是由于電力電子器件的失效導(dǎo)致的[3]。一方面，電力電子器件在工作過程中所承受的溫度、電壓等外界條件變化十分劇烈，加快了材料的疲勞失效，使得器件應(yīng)對外界條件變化的能力變?nèi)?；另一方面，對性能的過分追求導(dǎo)致器件的裕量通常設(shè)計(jì)得很低，這也增加了運(yùn)行過程中故障發(fā)生的可能性[4-5]。因此，監(jiān)測電力電子器件的工作狀態(tài)，對保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重大意義。

國內(nèi)外學(xué)者對電力電子器件的失效機(jī)理進(jìn)行了許多研究，發(fā)現(xiàn)失效是在電-熱-應(yīng)力場的共同作用下導(dǎo)致的[6-7]。傳統(tǒng)的電力電子器件監(jiān)測方法，主要建立在對器件工作過程中電、磁、熱等信息參數(shù)的提取上[8-11]?；陔娦畔⒌谋O(jiān)測方法主要是對器件工作過程中關(guān)鍵位置的電氣量進(jìn)行提取，并通過機(jī)械學(xué)習(xí)、建立模型等方法，分析電氣量與器件狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系[12-15]。基于磁信息的監(jiān)測方法則是利用巨阻磁效應(yīng)，借助于器件內(nèi)部的磁場傳感器，來獲得器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息[16]?；跍囟刃畔⒌谋O(jiān)測方法主要是利用傳感器，對器件的內(nèi)部結(jié)溫、表面溫度等熱力學(xué)量進(jìn)行提取，然后借助軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理量化，將結(jié)果與正常工作狀態(tài)下得到的結(jié)果進(jìn)行比較，從而判斷器件的工作狀態(tài)[17-18]。上述方法都可以對電力電子器件的工作狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測與評估，然而由于器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，所以目前的絕大多數(shù)研究局限于通過物理量來表征器件的工作狀態(tài)，而不能確定具體的故障類型。因此，需要探尋其他能夠表征器件工作狀態(tài)的物理量，對電力電子器件的監(jiān)測方法進(jìn)行擴(kuò)展。

局部能量的快速釋放會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，該信號能夠表征發(fā)射源內(nèi)部缺陷及其物理性質(zhì)，因而可用于發(fā)射源狀態(tài)的評估[19]。該方法具有快速、實(shí)時(shí)、非侵入等特點(diǎn)，符合電力電子設(shè)備在線監(jiān)測的需求，因此在近幾年得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[20]。芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)的T. J. K?rkk?inen等首次觀察到功率半導(dǎo)體模塊的通斷瞬間會(huì)發(fā)射聲信號[21]。波蘭什切青海事大學(xué)的R. Gordon等對IGBT器件連續(xù)開斷釋放的應(yīng)力波進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)器件的開斷是應(yīng)力波產(chǎn)生的主要原因[22]。德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的S. Müller在頻域范圍內(nèi)對老化器件釋放的應(yīng)力波進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)老化使得應(yīng)力波信號在主頻率處的幅值增大，在諧振頻率處的幅值減小[23]。湖南大學(xué)的何赟澤等對電力電子器件在工作過程中釋放的應(yīng)力波的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素進(jìn)行了深入研究，并對應(yīng)力波信號中的不同頻域分量進(jìn)行分析，得到了不同工作條件下應(yīng)力波參數(shù)與電氣參數(shù)之間的關(guān)系[24-26]。

上述文獻(xiàn)對電力電子器件開斷過程中釋放應(yīng)力波的影響因素進(jìn)行了探究。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要針對器件整體開展應(yīng)力波檢測。研究顯示，在器件內(nèi)部存在多個(gè)應(yīng)力波發(fā)射源，不同發(fā)射源產(chǎn)生的應(yīng)力波信號摻雜在一起，給器件內(nèi)部狀態(tài)分析帶來了很大的困難[27]。此外，這種方法對于器件內(nèi)部狀態(tài)的界定不明確，很難建立具體的缺陷類型與狀態(tài)同應(yīng)力波的直接關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，需要嘗試研究特定的發(fā)射源在確定的缺陷類型下的機(jī)械應(yīng)力波特性。

本課題組近年來開展了脈沖電場下絕緣材料電荷行為及響應(yīng)特性的研究，前期研究已發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺（Polyimide, PI）、有機(jī)硅等器件封裝材料在脈沖上升沿和下降沿時(shí)刻的電荷振動(dòng)現(xiàn)象，通過壓電傳感器檢測到脈沖邊沿時(shí)刻的應(yīng)力波信號，并從電荷受力平衡的角度對應(yīng)力波產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了闡述[28]。通過與現(xiàn)有的電力電子器件應(yīng)力波檢測的研究結(jié)果比較分析，發(fā)現(xiàn)絕緣封裝中的電荷振動(dòng)現(xiàn)象可能是脈沖時(shí)刻器件應(yīng)力波的來源之一，即器件內(nèi)部的半導(dǎo)體或絕緣材料中的界面或空間電荷，在脈沖電場力作用下發(fā)生快速位移，并帶動(dòng)束縛電荷的分子或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而形成應(yīng)力波。通過實(shí)驗(yàn)室制作的封裝絕緣模型，可以獲得明確的材料和結(jié)構(gòu)條件下的應(yīng)力波，便于探討應(yīng)力波產(chǎn)生的物理機(jī)制。更為方便的是，可以人為設(shè)置不同的絕緣缺陷類型，研究缺陷形式與應(yīng)力波特性的直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而映射到實(shí)際的器件缺陷檢測中。因此，本文提出研究人為設(shè)置缺陷的實(shí)驗(yàn)室模型的應(yīng)力波特性的方法，可以作為器件應(yīng)力波檢測技術(shù)研究的新思路。

本文首先從微觀的角度，對電力電子器件在運(yùn)行過程中產(chǎn)生應(yīng)力波的機(jī)理進(jìn)行了分析。然后基于電力電子器件在運(yùn)行過程中常見的封裝絕緣故障形式，設(shè)置了不同材料界面和絕緣老化兩種缺陷類型，對不同缺陷狀態(tài)下的應(yīng)力波進(jìn)行了探測。并且分別在時(shí)域和頻域內(nèi)，將存在缺陷時(shí)的應(yīng)力波與正常狀態(tài)下的應(yīng)力波進(jìn)行了對比分析。最后總結(jié)了不同缺陷下器件應(yīng)力波的參數(shù)特征。

1 脈沖邊沿處應(yīng)力波的產(chǎn)生機(jī)理

在現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域中，為了使得到的波形變得平滑，器件通常工作在較高通斷頻率的狀態(tài)下，這使得其承受高重復(fù)頻率和高電壓上升率的方波脈沖電壓[29]。由此推斷，長期承受高頻、高幅值、陡上升沿和下降沿的脈沖電壓的沖擊作用，是高壓電力電子裝備的普遍工況。

由于外加電場和極化的影響，降低了電子逸出電極的勢壘，從電極發(fā)射的電子在外加電場的作用下產(chǎn)生遷移，在遷移過程中被介質(zhì)中的陷阱所捕獲，從而形成空間電荷?？臻g電荷的存在會(huì)導(dǎo)致局部電場的畸變，進(jìn)而影響材料的絕緣性能。目前較為常用的空間電荷檢測方法為電聲脈沖（Pulsed Electro-Acoustic, PEA）法，其基本原理為：給試樣施加一個(gè)微擾場脈沖，破壞空間電荷原本的平衡狀態(tài)，由于電荷與原子核或分子單元之間的強(qiáng)耦合作用，電荷會(huì)帶動(dòng)分子振動(dòng)并產(chǎn)生應(yīng)力波[30]。根據(jù)電聲脈沖法的原理，帶電分子會(huì)在窄場脈沖的作用下發(fā)生振動(dòng)，考慮到電力電子器件在工作過程中始終受到高頻率、陡上升下降沿的方波脈沖電壓的影響，脈沖的上升和下降時(shí)間均處于ns范圍內(nèi)，其頻率分量與電聲脈沖法所施加的微擾場脈沖所包含的頻率分量相近。據(jù)此推測，在正常工況下，電力電子器件絕緣與半導(dǎo)體材料中的分子或晶格結(jié)構(gòu)會(huì)由于脈沖上升下降沿的激勵(lì)作用發(fā)生振動(dòng)，并產(chǎn)生應(yīng)力波。

在先前的研究中[28]，以聚酰亞胺為研究對象，對脈沖電場上升沿和下降沿處分子的行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在脈沖的上升沿和下降沿處，分子的確發(fā)生了振動(dòng)，并檢測到了振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波，如圖1所示。其中脈沖電壓幅值為-1kV，脈沖的上升和下降時(shí)間均為100ns。應(yīng)力波可以分為三部分。由于試樣與傳感器之間存在鋁電極板，并不直接接觸，因此分子振動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力波被傳感器接收要經(jīng)過一定的延時(shí)。此裝置中鋁電極的厚度為15mm，鋁中的聲速約為6 300m/s，可以計(jì)算出應(yīng)力波從產(chǎn)生到被傳感器接收所經(jīng)過的延時(shí)約為2.4μs。由此可以判斷，圖中第二部分即為分子振動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力波。第一部分信號的傳播時(shí)延為0，這說明第一部分信號是由于在脈沖邊沿時(shí)刻電壓突變所產(chǎn)生的電磁信號，由于電磁波傳播速度極快，約為光速，因此在其產(chǎn)生的瞬間便被傳感器所捕獲。第三部分信號和第二部分信號之間的時(shí)間間隔為4.8μs，是在鋁板中傳播時(shí)間的兩倍，且幅值與第二段波形相比具有明顯衰減。因此，第三部分信號是第二部分信號的反射波形。

圖1 脈沖電壓邊沿處的波形

對第一部分和第二部分信號進(jìn)行傅里葉分解（由于第三部分信號是第二部分信號的反射波形，其所包含的頻域分量與第二部分基本一致，因此不進(jìn)行分析），得到脈沖邊沿處分子振動(dòng)信號的頻譜圖如圖2所示。發(fā)現(xiàn)第二部分信號的頻域分量主要集中在0～20MHz范圍內(nèi)，屬于低頻分量；第一部分信號的上限截止頻率高達(dá)1 000MHz，屬于高頻分量。在其他學(xué)者的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。湖南大學(xué)的何赟澤等對功率MOSFET在通斷過程中發(fā)射的應(yīng)力波的成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)由低頻分量和高頻分量兩部分組成，低頻信號與高頻信號之間存在時(shí)延，如圖3所示[24]。

圖2 脈沖邊沿處分子振動(dòng)信號的頻譜圖

圖3 MOSFET通斷時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波信號

關(guān)于應(yīng)力波的來源，目前主流的觀點(diǎn)是器件通斷時(shí)刻劇烈變化的電磁場使帶電粒子和晶格發(fā)生振動(dòng)，從而釋放應(yīng)力波。T. J. K?rkk?inen、何赟澤、李孟川等從電磁應(yīng)力的角度出發(fā)，認(rèn)為器件關(guān)斷時(shí)刻內(nèi)部的電流會(huì)急劇變化，在周圍空間中產(chǎn)生劇烈變化的電磁場，帶電粒子由于電磁力的作用發(fā)生振動(dòng)并釋放應(yīng)力波[21,24-25]。耿學(xué)峰等則從能量的角度入手，認(rèn)為電流變化的瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖功率并釋放熱量，熱量進(jìn)入芯片薄層后會(huì)使材料晶格動(dòng)能增加，導(dǎo)致晶格振動(dòng)并釋放應(yīng)力波[31]。由此可見，國內(nèi)外學(xué)者普遍從電流的角度，對應(yīng)力波的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入剖析，而關(guān)于通斷時(shí)刻劇烈變化的電場對應(yīng)力波的產(chǎn)生是否有影響，目前還沒有明確的結(jié)論。本課題組基于電聲脈沖法的基本原理，同時(shí)考慮到電力電子器件運(yùn)行過程中的實(shí)際工況，從電場的角度對應(yīng)力波的成因進(jìn)行了解釋：器件開斷時(shí)刻內(nèi)部電場急劇變化，破壞了帶電粒子的受力平衡，導(dǎo)致帶電粒子振動(dòng)并產(chǎn)生應(yīng)力波。這幾種觀點(diǎn)分別從電場、磁場、能量的角度，對電力電子器件通斷過程中應(yīng)力波的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了闡述，可以互為補(bǔ)充。

綜上所述，應(yīng)力波由低頻分量和高頻分量組成。其中，低頻信號是由于器件內(nèi)部分子振動(dòng)而產(chǎn)生，同內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，其所反映的器件工作狀態(tài)信息更加準(zhǔn)確。且低頻信號與高頻信號相比，不但波形更為簡潔，所包含的頻域分量也更少，還可以通過低通濾波器對其進(jìn)行提取，分析過程更為簡便。因此本文主要對應(yīng)力波的低頻分量，即分子振動(dòng)所產(chǎn)生的信號進(jìn)行研究。當(dāng)器件出現(xiàn)故障時(shí)，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物理性質(zhì)發(fā)生變化，應(yīng)力波的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。因此，可以通過對應(yīng)力波進(jìn)行提取和分析，來評估電力電子器件的工作狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及缺陷設(shè)置

2.1 電力電子器件失效機(jī)理

電力電子器件的失效類型，可以根據(jù)失效部位分為兩大類：芯片失效和封裝失效[32]。芯片失效是指電力電子器件的集成芯片在運(yùn)行過程中出現(xiàn)功能異常等問題，通常是由電、熱、應(yīng)力等因素共同導(dǎo)致的。由于芯片具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封性好等特點(diǎn)，迄今為止并沒有研發(fā)出比較好的針對芯片失效的在線監(jiān)測方法。封裝失效是指除了芯片外的其他結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，常見的類型有鍵合線失效、焊料層疲勞等[33-34]。封裝失效并非偶發(fā)性故障，而是由于運(yùn)行過程中缺陷的長期積累所致，如裂縫等局部缺陷及材料的老化疲勞等。通常情況下，器件內(nèi)部的缺陷會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料性質(zhì)發(fā)生變化，應(yīng)力波信號的參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。本文即面向封裝失效缺陷中的界面缺陷和材料老化缺陷，設(shè)置單一缺陷實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑏硖骄科骷?nèi)部缺陷對應(yīng)力波參數(shù)的影響。

2.2 振動(dòng)應(yīng)力波信號測試平臺

實(shí)驗(yàn)裝置的整體原理及實(shí)物如圖4所示，該系統(tǒng)主要由高壓脈沖電源、分子振動(dòng)測量單元、觸發(fā)控制電路、放大器、示波器組成。其中，高壓脈沖電源可以產(chǎn)生納秒級別上升下降時(shí)間的方波脈沖電壓，用來模擬電力電子器件在運(yùn)行中的實(shí)際工況。方波脈沖電壓的波形如圖5所示，其上升沿和下降沿時(shí)間均為100ns。觸發(fā)控制電路可以控制觸發(fā)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)脈沖邊沿處分子行為的測量。分子振動(dòng)測量單元由高壓電極、半導(dǎo)電層、待測試樣、接地電極、聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride, PVDF）壓電傳感器、放大器組成。PVDF壓電傳感器接收到待測試樣中分子振動(dòng)發(fā)出的聲信號，會(huì)由于受到壓力的作用發(fā)生形變，產(chǎn)生聲電反應(yīng)，從而將微弱的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)放大器放大后被示波器所接收。半導(dǎo)電層放置在高壓電極和試樣之間，作用是改善高壓電極周圍的電場分布，防止閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 分子振動(dòng)信號測試平臺

圖5 方波脈沖電壓波形

2.3 界面缺陷設(shè)置

電力電子器件在運(yùn)行過程中，劇烈變化的電場、溫度場、應(yīng)力場會(huì)對材料的微觀結(jié)構(gòu)造成損傷，在局部形成氣隙。例如局部畸變的電場會(huì)對絕緣材料的分子鏈產(chǎn)生破壞，在絕緣層內(nèi)部形成電樹枝。過高的溫度場會(huì)加劇焊料層承受的不均勻熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊料層中出現(xiàn)空洞、裂紋、分層。氣隙的存在會(huì)破壞分子取向、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)的連續(xù)性，導(dǎo)致界面的產(chǎn)生。由于界面兩側(cè)的物理性質(zhì)存在差異，以及界面之間聲阻的存在，應(yīng)力波在界面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)發(fā)生衰減和畸變。此外，界面處由于電導(dǎo)率和介電常數(shù)等參數(shù)不連續(xù)，會(huì)積累大量界面電荷，因此脈沖邊沿時(shí)刻界面兩側(cè)分子振動(dòng)十分劇烈?；诮缑嫒毕莸纳鲜鲂再|(zhì)，本實(shí)驗(yàn)中，通過試樣疊放的方式來模擬器件內(nèi)部的界面缺陷，如圖6所示。通過改變疊放的試樣類型（相同試樣疊放/不同試樣疊放）來改變界面兩側(cè)的物理性質(zhì)，通過在兩片試樣的接觸面處涂抹耦合劑來改變界面處的聲阻。聚酰亞胺由于具有極佳的耐高溫性能、機(jī)械性能和介電性能，成為電力電子領(lǐng)域最常用的材料之一[35]。而交聯(lián)聚乙烯（Cross-Linked Polyethyline, XLPE）由于其優(yōu)良的環(huán)境耐受性能以及絕緣性能，在高壓領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本實(shí)驗(yàn)以交聯(lián)聚乙烯和聚酰亞胺作為研究對象。具體的界面缺陷設(shè)置情況見表1。

圖6 界面缺陷示意圖

表1 界面缺陷設(shè)置

Tab.1 Interface defect setting

2.4 老化缺陷設(shè)置

在電力電子器件的運(yùn)行過程中，嚴(yán)苛的溫度及電場環(huán)境會(huì)加劇器件的老化損傷，使其性能發(fā)生劣化。電力電子器件的老化主要可以分為兩類：①長期的電熱應(yīng)力作用導(dǎo)致的金屬疲勞，主要包括金屬疲勞裂紋的產(chǎn)生以及焊點(diǎn)的脫落[36]；②局部放電和高溫對高分子材料中分子結(jié)構(gòu)造成的損傷，比如分子鏈的斷裂、分子的裂解等[37-38]。相較于金屬材料，高分子材料中聲信號發(fā)射的現(xiàn)象更加明顯。R. Khazaka等對高溫下聚酰亞胺薄膜的老化特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺材料的機(jī)械及電氣特性受老化的影響較小[39]，因此以交聯(lián)聚乙烯為研究對象，探究老化對應(yīng)力波信號參數(shù)的影響?？紤]到電力電子器件的老化是在電-熱耦合場的共同作用下導(dǎo)致的[40]，本實(shí)驗(yàn)通過將試樣放置在高溫、強(qiáng)電場環(huán)境中的方法，來加快試樣的老化速度。研究表明，114℃是XLPE試樣晶區(qū)達(dá)到解列峰值的溫度，因此，試樣老化環(huán)境的溫度和電壓分別設(shè)置為114℃和30kV。根據(jù)老化效果，老化時(shí)間分別設(shè)置為0天、120天、200天。不同老化時(shí)間下的老化試樣如圖7所示。

圖7 XLPE老化試樣

3 界面缺陷對應(yīng)力波的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同界面缺陷下應(yīng)力波時(shí)域波形如圖8所示，不同界面聲阻抗下應(yīng)力波的疊加和界面對應(yīng)力波傳播的影響分別如圖9和圖10所示。完全理想狀態(tài)下，由于兩片試樣和PVDF壓電傳感器之間的距離不同，因此PVDF壓電傳感器應(yīng)該先檢測到靠近下電極的試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波，隨后檢測到靠近上電極的試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波，示波器上應(yīng)連續(xù)顯示兩個(gè)單層試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波，且兩個(gè)信號之間沒有相互干擾，如圖9a所示。然而，由于介質(zhì)內(nèi)部的弛豫現(xiàn)象，以及界面兩側(cè)介質(zhì)不同，應(yīng)力波在界面處傳播時(shí)存在損耗和色散，這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波在經(jīng)過界面時(shí)波形的畸變，具體表現(xiàn)為波形的峰值減小，寬度變寬，且出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，如圖10所示。下層試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波在到達(dá)PVDF壓電傳感器之前，只需經(jīng)過試樣與下極板形成的界面，因此PVDF壓電傳感器接收到的波形不會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的失真。而上層試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波在傳播時(shí)，除了需要經(jīng)過下層試樣與下極板形成的界面外，還需要經(jīng)過上層試樣和下層試樣之間形成的界面，這導(dǎo)致上層試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波在傳播過程時(shí)的衰減和色散更為嚴(yán)重。因此，兩片試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波存在相互重疊的區(qū)域，導(dǎo)致示波器上顯示的波形發(fā)生畸變，如圖9b所示。接觸面不涂耦合劑的情況與涂有硅油的情況相比，界面處的聲阻更大，發(fā)生的損耗和色散更加嚴(yán)重，應(yīng)力波信號的拖尾也更加嚴(yán)重，這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波重合的區(qū)域更大，波形的畸變也更加嚴(yán)重，如圖9c所示。

圖8 不同界面缺陷下應(yīng)力波時(shí)域波形

由于PI和XLPE的聚合單元的結(jié)構(gòu)以及數(shù)目不同，產(chǎn)生的應(yīng)力波信號的時(shí)域波形存在較大的差異。對比圖8a和圖8b可知，在激勵(lì)源固定的情況下，PI產(chǎn)生的應(yīng)力波的正峰值為1.5V，負(fù)峰值為0.2V，且整體波形較為平滑；而XLPE產(chǎn)生的應(yīng)力波的正峰值僅有0.4V，遠(yuǎn)小于PI產(chǎn)生的應(yīng)力波對應(yīng)的峰值，且XLPE產(chǎn)生的應(yīng)力波在峰值過后還存在電壓過沖。因此，PI疊加XLPE界面產(chǎn)生的應(yīng)力波與PI疊加PI界面產(chǎn)生的應(yīng)力波相比，兩個(gè)正電荷峰之間的幅值差距較大。此外，由于界面兩側(cè)的物理性質(zhì)差距更大，在界面處傳播時(shí)發(fā)生的損耗和色散也更加嚴(yán)重，因此與相同試樣疊加發(fā)射的應(yīng)力波相比，不同試樣疊加產(chǎn)生的應(yīng)力波存在更嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象，且波形中的毛刺也更加明顯。

圖9 不同界面聲阻抗下應(yīng)力波的疊加

圖10 界面對應(yīng)力波傳播的影響

3.2 應(yīng)力波的頻譜分析

根據(jù)上述分析可知，界面的存在會(huì)使應(yīng)力波產(chǎn)生畸變，畸變的程度與界面兩側(cè)的物理性質(zhì)以及界面處的聲阻大小有關(guān)。應(yīng)力波是能量在介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的機(jī)械波，其本質(zhì)是一種能量釋放現(xiàn)象，而頻譜圖可以直觀地反映各個(gè)頻段內(nèi)能量的分布情況。為了更直觀地分析界面情況對應(yīng)力波的影響，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行傅里葉分解，得到不同界面情況下應(yīng)力波的頻譜如圖11所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)力波的頻域分量主要集中在0～20MHz的范圍內(nèi)。不同界面情況下，應(yīng)力波頻譜圖的尖峰頻域段及其幅值各不相同。單層PI試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波僅在2MHz處存在尖峰；單層XLPE試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波，分別在2MHz與10MHz處存在尖峰。相同試樣疊加產(chǎn)生的應(yīng)力波，除了在2MHz處存在尖峰外，在13MHz處也存在一個(gè)峰值更小的尖峰。相同試樣疊加且界面處涂有硅油的情況下，13MHz處的峰值與2MHz處的峰值之比為0.67；而界面處不涂硅油的情況下，13MHz處的峰值與2MHz處的峰值之比為0.23。這表明界面的存在會(huì)使得應(yīng)力波的頻譜產(chǎn)生額外的峰，該峰與主峰的比值隨著界面耦合程度的增加而增加，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是上下層試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波的頻域分量不同導(dǎo)致的。通過3.1節(jié)中對應(yīng)力波的時(shí)域波形分析可知，存在界面時(shí)的應(yīng)力波可以看做上下層試樣單獨(dú)產(chǎn)生的應(yīng)力波的疊加。在理想情況下，上下層試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波完全相同，所包含的頻域分量也相等。然而由于界面的存在，上層試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波發(fā)生色散，這使得其包含的頻域分量發(fā)生變化，因此在頻域內(nèi)產(chǎn)生了新的頻譜峰。耦合劑屬于黏性材料，其存在會(huì)改變界面兩側(cè)分子振動(dòng)的彈性系數(shù)，從而加劇了應(yīng)力波頻譜的畸變。因此，與界面不作處理的情況相比，涂有耦合劑時(shí)高頻處的頻譜峰與主頻譜峰的比值更大。對于不同試樣疊加產(chǎn)生的應(yīng)力波，由于XLPE產(chǎn)生的應(yīng)力波的強(qiáng)度小于PI產(chǎn)生的應(yīng)力波的強(qiáng)度，因此其對頻域的影響更小。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中表現(xiàn)為：PI與XLPE疊加的情況下，除了在2MHz處存在尖峰外，在10MHz附近并沒有產(chǎn)生新的頻譜峰，而是形成了一段較為平坦的結(jié)構(gòu)。

4 老化狀態(tài)對應(yīng)力波的影響

不同老化階段的試樣所產(chǎn)生應(yīng)力波的時(shí)域及頻域圖如圖12所示。時(shí)域結(jié)果顯示，應(yīng)力波的拖尾程度隨著試樣老化程度的增加而增大。而從頻譜圖中可以看出，頻域分量主要集中在0～20MHz的范圍內(nèi)。未經(jīng)老化的XLPE試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波，分別在2.6MHz和10.8MHz處存在頻譜峰。在114℃、30kV的條件下老化120天的試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波，同樣在1.7MHz和11.7MHz處存在兩個(gè)頻譜峰。與未老化的試樣相比，其頻域分量主要集中在低頻范圍內(nèi)，高頻處的頻域分量明顯減弱。在114℃、30kV的條件下老化200天的試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波，頻域分量集中在低頻處的現(xiàn)象更加明顯，僅在1.4MHz處存在一個(gè)頻譜峰。

圖12 老化試樣的應(yīng)力波時(shí)域及頻譜圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，老化會(huì)使得試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波信號的頻域分量發(fā)生變化。隨著老化程度的增加，頻域分量逐漸向低頻范圍內(nèi)集中。這種現(xiàn)象是由于材料分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的。分子之間的結(jié)合力主要是電磁力，其大小與分子之間的相對位置有關(guān)，且作用機(jī)理表現(xiàn)為與分子所受到的形變力相對抗，可以看作彈性力。因此在受到微擾時(shí)，分子會(huì)在外力與彈性力的共同作用下發(fā)生振動(dòng)，并產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波的頻率與分子的振動(dòng)頻率有關(guān)，而分子的振動(dòng)頻率則受到分子之間耦合程度的影響。耦合越劇烈，振動(dòng)頻率越大。而在老化狀態(tài)下，由于分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，彼此之間的耦合程度降低，這會(huì)導(dǎo)致分子的振動(dòng)頻率降低。因此，隨著老化程度的增加，試樣產(chǎn)生的應(yīng)力波信號的高頻分量逐漸減少，低頻分量逐漸增加。

5 結(jié)論

本文從微觀尺度下分子振動(dòng)的角度，對電力電子器件在工作過程中產(chǎn)生應(yīng)力波的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)急劇變化的電場會(huì)導(dǎo)致絕緣材料中的空間電荷振動(dòng)并產(chǎn)生應(yīng)力波，進(jìn)而推測電力電子器件的封裝絕緣部分可能是應(yīng)力波的來源之一。并通過實(shí)驗(yàn)的方法，探究了界面缺陷和老化缺陷兩類缺陷對應(yīng)力波參數(shù)的影響。主要結(jié)論如下：

1）電力電子器件的通斷會(huì)引起本身承受的電場急劇變化，導(dǎo)致封裝絕緣中帶電粒子的受力平衡被打破，使其振動(dòng)并產(chǎn)生應(yīng)力波。而器件中的缺陷會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力波參數(shù)的變化。因此，通過對器件在工作過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波信號進(jìn)行監(jiān)測，可以獲知器件的工作狀態(tài)。

2）界面缺陷對應(yīng)力波的影響主要體現(xiàn)在產(chǎn)生機(jī)理和傳播過程兩方面。界面處產(chǎn)生的應(yīng)力波可以看作相鄰兩個(gè)試樣界面積累的表面電荷所產(chǎn)生的應(yīng)力波的疊加。由于信號會(huì)在界面處存在衰減和色散，其包含的頻域分量發(fā)生變化，這使得合成后的信號在高頻處產(chǎn)生新的峰。此外，耦合劑會(huì)使得部分分子間的彈性系數(shù)發(fā)生變化，因此存在耦合劑時(shí)，高頻峰的峰值比不存在耦合劑時(shí)的峰值更大。

3）老化會(huì)使得分子之間的耦合程度降低，這導(dǎo)致分子振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波所包含的低頻分量增加，高頻分量減少。這種現(xiàn)象隨著試樣老化程度的增加而愈加明顯。因此，通過對電力電子器件發(fā)射的應(yīng)力波進(jìn)行頻域分析，可獲知器件的老化程度。

本文對電力電子器件封裝絕緣中產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行分析，得到了不同缺陷類型對應(yīng)力波的影響因素。不過，所設(shè)置的缺陷模型較為簡單，尚不能全面反映器件內(nèi)部的各種缺陷狀態(tài)。在后續(xù)工作中，將考慮器件結(jié)構(gòu)、封裝布局等因素對聲信號傳播造成的影響，對應(yīng)力波信號參數(shù)與故障類型之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的深入探究。

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Detection and Analysis of Stress Wave in Power Electronic Device Packaging Insulation under Interface Defects and Aging Conditions

He Dongxin1Wei Junyu1Wang Wanjun2Xu Zhe1Li Qingquan1

（1. Shandong Provincial Key Laboratory of UHV Transmission Technology and Equipment School of Electrical Engineering Shandong University Jinan 250061 China 2. State Grid Shandong Jinan Electric Power Company Jinan 250000 China）

Power electronic devices generate stress wave during operation. This signal can reveal the internal information and working state of the devices, and can be used for on-line monitoring of power electronic devices. It is found that there are many stress wave emission sources in the devices. However, the existing research mainly focuses on the stress wave generated by the whole device, but ignores the correlation between the specific defect types and the stress wave. To solve this problem, this paper proposes a stress wave research method based on artificially set defects to explore the direct relationship between defect form and stress wave characteristics.

Firstly, from the phenomenon that space charge generates acoustic signals after being disturbed by pulsed electric field, the formation mechanism of stress wave is analyzed from the perspective of packaging insulation. It is found that the vibration of space charge at the edge of pulse in insulating material may be one of the emission sources of stress wave. Then the samples with single interface defects and aging defects were set, and the stress wave was detected. In the time domain and frequency domain, the stress wave generated by the defective samples are compared with those generated by the normal samples, to explore the influence of different defect types on stress wave parameters.

The experimental results show that the stress wave generated by the sample with interface defects can be regarded as the dislocation superposition of the stress wave generated by the sample under two normal conditions, and the waveform is related to the physical properties on both sides of the interface and the acoustic resistance at the interface. The reason for this phenomenon is that space charges will accumulate on both sides of the interface, and the stress wave generated by its vibration will interfere with the original stress wave. In addition, the acoustic resistance at the interface will also make the stress wave attenuate and disperse in the propagation process, resulting in the distortion of time-domain waveform. The spectrum analysis results show that the frequency domain components of stress waves are mainly concentrated in the range of 0～20MHz. In the case of interface, the frequency spectrum of stress wave will produce additional peaks at high frequencies, its position and amplitude are related to the interface conditions. The experimental results of aging samples show that with the increase of aging degree, the frequency domain component of stress wave gradually concentrates to the low frequency range. The reason is due to the internal structure changes of material molecules. The interaction force between molecules can be regarded as elastic force, and its vibration frequency is affected by the degree of coupling between molecules. The stronger the coupling, the greater the vibration frequency. In the aging state, due to the destruction of the molecular structure, the degree of coupling between them decreases, which leads to the reduction of the molecular vibration frequency.

Through the study of the stress wave generated by the sample under the interface and aging defects, the following conclusions can be drawn: ①Defects in power electronic devices lead to changes in the internal structure, which result in changes in the stress wave parameters. ②The influence of interface defects on stress wave is mainly reflected in the generation mechanism and propagation. The existence of the interface will distort the time-domain waveform of the stress wave and produce new spectral peaks at high frequencies. ③Aging defects reduce the coupling degree between molecules, which leads to the increase of the low-frequency component and the decrease of the high-frequency component of the stress wave generated by molecular vibration. This phenomenon becomes more obvious with the increase of the aging degree of the sample.

Power electronic devices, stress wave, condition monitoring, interface defect, aging state

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221282

TM930

國家自然科學(xué)基金（51907105，U1966209）和山東省自然科學(xué)基金（ZR2019QEE013）資助項(xiàng)目。

2022-06-30

2022-07-22

何東欣 男，1990年生，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娎|等電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷、電氣絕緣空間電荷理論及其應(yīng)用。E-mail：hdx@sdu.edu.cn

李清泉 男，1969年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)、電力變壓器內(nèi)絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測、絕緣劣化機(jī)理和輸配線路防雷技術(shù)等。E-mail：lqq@sdu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李冰）