IGBT關斷時刻的應力波測量優(yōu)化及影響因素分析

耿學鋒 何赟澤 王廣鑫 劉松源 李運甲

IGBT關斷時刻的應力波測量優(yōu)化及影響因素分析

耿學鋒1何赟澤1王廣鑫1劉松源1李運甲2

（1. 湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082 2. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學） 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)的可靠運行直接相關。聲發(fā)射（AE）是一種快速、無損、在線的檢測方法，廣泛應用于電力行業(yè)，在IGBT的狀態(tài)評估中具有潛在的應用價值。已有的研究表明：IGBT在關斷瞬間能夠產(chǎn)生應力波（SW），且AE傳感器能夠對應力波信號進行測量，但在測量時容易受到周圍電場的干擾。該文分析了普通AE傳感器干擾信號產(chǎn)生的原因，提出基于差分式AE傳感器的應力波測量方法，并從理論角度論證了差分式AE傳感器的抗干擾機理。搭建試驗平臺，通過試驗證明差分式AE傳感器具有較好的抗電氣干擾能力，能夠對IGBT關斷應力波進行有效地提取。進一步地，對不同關斷電流條件下的IGBT進行應力波的測量和分析，發(fā)現(xiàn)關斷電流與應力波的強度強相關，可為后續(xù)探索應力波產(chǎn)生機理及實現(xiàn)IGBT在線監(jiān)測提供參考。

聲發(fā)射 IGBT關斷 應力波 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、電動汽車等領域的應用越來越廣泛，保障其可靠安全運行將具有重要意義[1–7]。電力電子器件一旦發(fā)生故障或者性能弱化，會對整個裝置乃至系統(tǒng)造成極大危害[8]。狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測是保障與提高電力電子器件可靠性的關鍵技術，現(xiàn)有技術主要建立在對器件的電、磁、熱等物理信息進行測量之上[9-14]。雖然這些方法均可以實現(xiàn)對功率器件的狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測，具有一定的應用價值，但是卻很難同時滿足快速、無損、在線的需求。

聲發(fā)射（Acoustic Emission, AE）是材料內部能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波（在本文中被稱為應力波（Stress Wave, SW））的檢測技術，具有快速、無損、在線的特點，已經(jīng)被廣泛應用于絕緣子污穢放電檢測、變壓器局部放電檢測、風機葉片及健康監(jiān)測等領域[15]。如果能把聲發(fā)射技術應用在功率器件的監(jiān)測或者檢測中，勢必能夠進一步完善電力電子器件的可靠性評估理論。

國外機構最先開始對絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）應力波進行相關研究。文獻[16]通過研究從IGBT模塊到聲發(fā)射傳感器之間的傳播延時，首次證明了IGBT在關斷時刻會有應力波的產(chǎn)生。隨后，一些學者開始驗證并探索應力波在表征IGBT狀態(tài)時的可能性和方法，其中文獻[17]通過試驗得到了短路狀態(tài)下IGBT的兩種不同類型的應力波信號；文獻[18]對比健康狀態(tài)和退化狀態(tài)下IGBT的頻譜，發(fā)現(xiàn)退化狀態(tài)IGBT應力波的頻譜相較于健康狀態(tài)會發(fā)生改變；文獻[19]則提出利用應力波信號最大絕對值殘差法來評估器件的老化程度，并通過功率循環(huán)試驗與傳統(tǒng)的集電極飽和電壓法進行對比，驗證了該方法的有效性。

國內對IGBT應力波的研究則起步較晚。文獻[20]利用數(shù)字濾波技術試圖對IGBT的關斷應力波進行提取，發(fā)現(xiàn)傳感器所測到的信號同時包含低頻和高頻分量，且低頻分量的強度與電流大小呈正相關；進一步地，文獻[21]則對比耦合劑和空氣耦合條件下MOSFET開通關斷時的傳感器信號，發(fā)現(xiàn)其高頻分量可以通過空氣傳播，而低頻分量只能通過固體介質傳播，這證明傳感器所測信號的低頻信號即為應力波信號（應力波的傳播需要介質的存在），而高頻分量則為耦合到傳感器中的脈沖干擾信號。然而由于脈沖信號在各個頻率段都存在分量，利用數(shù)字濾波技術對應力波提取存在缺陷。因此，有必要研究此脈沖干擾信號的來源，并將其與應力波解耦，以進一步分析應力波的影響因素及來源。

本文首先分析AE傳感器干擾信號的產(chǎn)生機理，對單端和差分AE傳感器進行抗干擾試驗的對比測試；隨后通過對信號的特征參數(shù)進行提取和分析，得到關斷電流對IGBT關斷應力波的影響結果。

1 理論描述及研究思路

1.1 AE傳感器工作原理

AE傳感器的結構原理如圖1所示。AE傳感器在實際應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)射信號極其微弱，所以接觸式聲發(fā)射傳感器的應用較為廣泛，其內部結構如圖1a所示。在對聲發(fā)射信號進行檢測時，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，壓電晶體能夠將彈性波信號轉換為電信號并輸出。

圖1 AE傳感器結構原理

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[22-23]，即

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

根據(jù)靜電場理論

可計算開路電壓，即傳感器的輸出電壓信號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傳感器的干擾信號耦合機理

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

圖2 傳感器中干擾信號的產(chǎn)生機理

圖3 傳感器產(chǎn)生干擾信號的等效電路

由基爾霍夫定律，輸出噪聲電壓noise滿足

式中，為下一級的輸入電阻（Ω）。進一步地，式（5）在頻域中可以表示為

1.3 差分式AE傳感器的干擾信號抑制機理

差分式AE傳感器內部含有兩個極性相反的壓電陶瓷片，與以往文獻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，適用于變壓器、電機等電場和磁場交互復雜的場合。其中，單端式和差分式的AE傳感器結構對比如圖4所示。

圖4 不同類型AE傳感器的內部結構對比

在圖4b所示的差分式AE傳感器中，外界電壓變化通過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的后級輸入電阻（Ω）；1、2分別為壓電陶瓷1、2后級回路與傳感器附近導體之間的互容（F）。

因此在對應力波信號進行測量時，差分線1、2輸出的信號out1、out2滿足

式中，AE1、AE2分別為應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傳感器內部壓電陶瓷極性相反且傳感器結構具有對稱性，因此滿足

通過對差分線1、2的輸出進行差分運算，可得到傳感器最終輸出的電壓信號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，且輸出響應也有所提高。

1.4 IGBT應力波提取及研究思路

文獻[16, 20-21]均認為應力波的產(chǎn)生與電流的瞬變有關。而IGBT在關斷瞬間不僅存在電流的瞬變，集電極電位也會發(fā)生較大的變化，由此而產(chǎn)生的d/d會被耦合至聲發(fā)射傳感器中。因此若要對IGBT應力波進行相關研究，必須解耦此干擾信號以保證AE傳感器所測信號來自IGBT內部。在對IGBT應力波信號進行有效測量后才能對IGBT應力波信號進行相應的特征提取，并分析不同條件下應力波的變化規(guī)律。文中IGBT應力波的提取及研究思路如圖5所示。

圖5 IGBT應力波的提取及研究思路

2 試驗系統(tǒng)及試驗設計

2.1 單脈沖試驗裝置

IGBT在關斷時刻會有應力波的產(chǎn)生，因此本文使用脈沖觸發(fā)電路對IGBT進行單次脈沖關斷以記錄IGBT單次關斷時刻所產(chǎn)生的應力波。IGBT脈沖觸發(fā)電路原理如圖6所示。脈沖觸發(fā)電路由待測器件（Device under Test, DUT）VT2、續(xù)流器件VT1、負載電感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)電路的時序，其工作原理如下：當=on時，通過給DUT一個正的電壓脈沖，VT2導通，電流流向如路徑Ⅰ所示，此時由于負載電感l(wèi)oad的存在，電流無法瞬態(tài)變化，并且線性增大，因此基本不會產(chǎn)生應力波[20]；當=off時，IGBT關斷，此時上管VT1起到續(xù)流的作用，電流路徑如Ⅱ所示，此時電流發(fā)生瞬變，從關斷值ce迅速降為0，這個瞬間VT2可以產(chǎn)生應力波。脈沖觸發(fā)電路的實物搭建如圖7所示，DUT的型號選用IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU，并分別使用羅氏線圈（DK—MIN350）、高壓差分傳感器（THDP0200）對其集-射電流ce、柵-射電壓ge和集-射電壓ce進行測量；高壓直流電源、信號發(fā)生器、示波器分別采用62100H—1000、DG4162、MDO3024，以提供電壓支撐、產(chǎn)生驅動信號和顯示波形。

圖6 IGBT脈沖觸發(fā)電路原理

圖7 IGBT脈沖觸發(fā)測試平臺

2.2 聲發(fā)射測試平臺

通常來講，完整的聲發(fā)射信號采集流程可以分為以下三個過程：

（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)的采集工作主要由AE傳感器來完成，而當前主流的AE傳感器主要利用壓電效應將應力信號轉換成電壓信號，從而完成測量。

（2）信號前處理。聲發(fā)射信號一般都較為微弱，所以為了提高所采集數(shù)據(jù)的信噪比，必須要對所采集信號進行適當?shù)那疤幚?。通常前處理可以使用硬件和軟件兩種方式實現(xiàn)：硬件上使用前置放大器以放大所測量的聲發(fā)射信號并實現(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；軟件上可以通過在聲發(fā)射采集處理軟件中設置合理的觸發(fā)閾值和帶通濾波器對信號進行測量，以達到抑制噪聲的目的[15]。

（3）信號后處理。經(jīng)過前兩個階段得到較為理想的聲發(fā)射信號后，可以利用聲發(fā)射軟件對信號進行一定的處理（如濾波、傅里葉變換），提取信號特征參數(shù)。在這過程中可以利用Matlab對數(shù)據(jù)進行批量處理，以提高處理的效率。

需要注意的是，經(jīng)過前置放大器作用的信號也可以直接輸出至示波器中顯示，這使得試驗過程中可以利用示波器將聲發(fā)射信號和電信號進行同步對比，有助于理解干擾信號的耦合機理，因此2.3節(jié)所述試驗采用示波器MDO3024來獲得AE傳感器所測量的波形。然而由于示波器難以對采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，故在2.4節(jié)所述試驗中，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）對聲發(fā)射信號進行實時采集和分析，以得到不同關斷電流的條件下IGBT應力波特征的變化規(guī)律。

2.3 不同聲發(fā)射傳感器抗干擾對比試驗

為對比電場變化對AE傳感器的干擾程度，可以使用信號發(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進行抗電場干擾的對比試驗，試驗裝置如圖8所示。試驗過程中首先讓信號發(fā)生器DG4162輸出變化的電壓信號（頻率改變的正弦信號、周期改變的方波信號、幅值改變的方波信號）至金屬板，并將兩種AE傳感器貼合在金屬板上，接著通過前置放大器PXPA6輸出至示波器，以單獨清晰地測量電場變化耦合到傳感器中的干擾信號。

圖8 不同AE傳感器的抗干擾對比試驗裝置

另外，為探究差分式聲發(fā)射傳感器對于IGBT應力波提取是否有較好的抗干擾能力，并直觀地與電信號作同步對比，試驗過程中將兩種類型聲發(fā)射傳感器通過真空封脂耦合劑貼至DUT的金屬側并用示波器同時記錄IGBT在開通關斷時的聲發(fā)射傳感器輸出信號out、集-射電壓ce、柵-射電壓ge和集-射電流信號ce，試驗裝置如圖9所示。

圖9 不同AE傳感器測量IGBT關斷應力波的試驗裝置

2.4 關斷電流對應力波的影響試驗

為了進一步驗證差分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，改變關斷電流，對兩種不同型號IGBT（IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU）進行獨立試驗，試驗平臺如圖10所示。

圖10 不同關斷電流條件下IGBT關斷應力波試驗平臺

試驗利用脈沖測試平臺對IGBT進行單脈沖關斷試驗，通過包含差分式AE傳感器的聲發(fā)射采集系統(tǒng)對IGBT關斷時產(chǎn)生的應力波進行實時采集并提取特征，最后采用Matlab對數(shù)據(jù)進行處理。

3 試驗結果及分析

3.1 不同傳感器抗干擾性能對比

由第1節(jié)可知，AE傳感器在周圍存在電場的變化時會產(chǎn)生干擾信號。當激勵為正弦波和方波信號時，單端式AE傳感器華倫VS—45H和差分式AE傳感器富士AE503D的響應如圖11所示。

圖11 不同傳感器在不同激勵下的響應

由圖11可知，對于單端AE傳感器來講，當激勵為正弦信號時，傳感器的響應是一個相位發(fā)生變化的正弦波；當激勵為方波信號時，傳感器的響應為脈沖信號。而對于內部含有兩個相反極性壓電陶瓷片的差分AE傳感器，無論激勵是正弦信號還是方波信號，傳感器的響應都不是很明顯，這說明差分傳感器對變化電壓的抗干擾能力有所增強。

為進一步量化差分傳感器相對于單端傳感器的抗干擾強化程度，定義相對增益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。

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

圖12 不同頻率正弦信號兩傳感器的響應值及相對增益

圖13 不同周期方波信號兩傳感器的響應值及相對增益

圖14 不同幅值方波信號兩傳感器的響應值及相對增益

3.2 IGBT關斷應力波的提取

應力波是能量在固體介質中傳播形成的，可通過AE傳感器進行提取。而由3.1節(jié)可知，差分AE傳感器能夠大大提升測量時的抗電氣干擾能力，本節(jié)選擇IKW40N120T2I作為待測對象，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對其進行關斷應力波的提取，并輸出至示波器，試驗波形如圖15所示。

圖15 不同AE傳感器測到的IGBT應力波信號對比

由圖15可知，單端AE傳感器所測到的信號顯然存在脈沖干擾信號，而利用差分AE傳感器所測到的信號已經(jīng)屏蔽了周圍電壓變化帶來的干擾，此時獲得的信號即為IGBT關斷時所產(chǎn)生的應力波。進一步地，還可以發(fā)現(xiàn)IGBT的開通時刻（電流為0）并沒有應力波的產(chǎn)生，而在IGBT關斷時刻（電流發(fā)生瞬變）則產(chǎn)生了較為明顯的應力波信號。在獲得IGBT應力波信號后，需要對其進行傅里葉變換，得到如圖16所示的應力波的時頻圖，并提取其時頻特征，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、信號能量。其中信號能量的表達式為

式中，p(t)為采集到的應力波信號。

3.3 關斷電流對應力波的影響

3.3.1 噪聲的影響分析

在使用聲發(fā)射采集系統(tǒng)對IGBT關斷應力波進行采集前，首先需要對環(huán)境噪聲進行測試，得到噪聲幅值為65～70dB。噪聲幅值Amp與測量電壓的關系為

式中，0為基準電壓值，0=0.001mV；為傳感器得到的測量電壓（mV）。

3.3.2 關斷電流的影響分析

在本組試驗中，脈沖觸發(fā)電路的詳細電參數(shù)見表1，表中，為開通信號周期，為開通信號占空比。

表1 IGBT單脈沖觸發(fā)電路參數(shù)

Tab.1 Parameters of IGBT’s pulse test circuit

將波形調試成功以后，控制母線電壓dc保持不變，通過更換負載電感l(wèi)oad來改變關斷電流的大小。當load=100μH、200μH、300μH、500μH、600μH時，器件IKW40N120T2所對應的關斷電流ce=70A、40A、25.2A、16.4A、14.2A；器件FGH60N60SDTU所對應的關斷電流為ce=65A、35A、23.2A、14.2A、10.8A。隨后得到各個關斷電流條件下的應力波，提取信號的時頻特征見表2，其中應力波信號峰值、峰-峰值、信號能量、第一主頻峰值、第二主頻峰值與ce相關性較高，將其擬合后如圖17～圖21所示。可以得到，關斷電流ce的值與應力波的強度呈正相關。

圖17 Ice對應力波幅值的影響

表2ce對應力波特征參數(shù)的影響

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

圖18 Ice對應力波峰-峰值的影響

圖19 Ice對應力波信號能量的影響

圖20 Ice對應力波第一主頻峰值的影響

圖21 Ice對應力波第二主頻峰值的影響

4 結論

本文重點分析了AE傳感器脈沖干擾信號的產(chǎn)生機理，對比了單端式和差分式AE傳感器的抗干擾性能，測試了IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU在不同關斷電流ce時的應力波信號。主要結論如下：

1）周圍電壓的變化會對普通單端式AE傳感器產(chǎn)生干擾。由于不同回路導體間互容的存在，變化的電壓會通過互容，從一個回路耦合到另一個回路，產(chǎn)生串擾。

2）差分式AE傳感器在提取IGBT關斷應力波時具有更好的效果。IGBT開通關斷時電壓的變化會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，提高抗電氣干擾能力。

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

4）從兩個器件的測試中發(fā)現(xiàn)關斷電流對第一主頻峰值的影響更大，可以利用監(jiān)測第一主頻峰值的變化來在線監(jiān)測IGBT健康狀態(tài)。

然而到目前為止，有關IGBT關斷應力波的產(chǎn)生機理仍然沒有一個明確解釋，后續(xù)工作中需要進一步對IGBT關斷應力波的機理進行研究；另外，對器件進行老化和失效試驗，并形成以超聲信號特征量為判斷依據(jù)的IGBT健康狀態(tài)在線監(jiān)測方法也是未來的研究方向。

[1] 李輝, 劉人寬, 王曉, 等. 壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測方法綜述[J]. 電工技術學報, 2021, 36(12): 2505-2521.

Li Hui, Liu Renkuan, Wang Xiao, et al. Review on package degradation monitoring methods of press-pack IGBT modules[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2505-2521.

[2] Liu Jianqiang, Zhong Shigeng, Zhang Jiepin, et al. Auxiliary power supply for medium-/high-voltage and high-power solid-state transformers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(5): 4791-4803.

[3] 張國政, 陳煒, 谷鑫, 等. 三電平牽引變流器改進同步空間矢量調制策略[J]. 電工技術學報, 2020, 35(18): 3908-3916.

Zhang Guozheng, Chen Wei, Gu Xin, et al. An improve synchronized space vector modulation strategy for three-level inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(18): 3908-3916.

[4] 涂春鳴, 李慶, 郭祺, 等. 具備電壓質量調節(jié)能力的串并聯(lián)一體化多功能變流器[J]. 電工技術學報, 2020, 35(23): 4852-4863.

Tu Chunming, Li Qing, Guo Qi, et al. Research on series-parallel integrated multifunctional converter with voltage quality adjustment[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(23): 4852-4863.

[5] 楊龍月, 郭銳, 張樂, 等. 非理想電網(wǎng)下逆變器并網(wǎng)電流質量改善策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(15): 10-18.

Yang Longyue, Guo Rui, Zhang Le, et al. Improvement strategy for grid-connected current quality of an inverter under non-ideal grid conditions[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(15): 10-18.

[6] 張峰, 謝運祥, 胡炎申, 等. 臨界模式混合光伏微型逆變器的特性分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(6): 1290-1302.

Zhang Feng, Xie Yunxiang, Hu Yanshen, et al. Characteristics analysis for a boundary conduction mode hybrid-type photovoltaic micro-inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1290-1302.

[7] 羅旭, 王學梅, 吳海平. 基于多目標優(yōu)化的電動汽車變流器IGBT及開關頻率的選擇[J]. 電工技術學報, 2020, 35(10): 2181-2193.

Luo Xu, Wang Xuemei, Wu Haiping. Selections of IGBTs and switching frequency of the electric vehicle converter based on multi-objective optimization[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2181-2193.

[8] 劉爽, 牟龍華, 許旭鋒, 等. 電力電子器件故障對微電網(wǎng)運行可靠性的影響[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(24): 63-70.

Liu Shuang, Mu Longhua, Xu Xufeng, et al. Research on power electronic devices failures' effect on microgrid operational reliability[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(24): 63-70.

[9] 趙子軒, 陳杰, 鄧二平, 等. 負載電流對IGBT器件中鍵合線的壽命影響和機理分析[J]. 電工技術學報, 2022, 37(1): 244-253.

Zhao Zixuan, Chen Jie, Deng Erping, et al. The influence and failure mechanism analysis of the load current on the IGBT lifetime with bond wire failure[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(1): 244-253.

[10] 姚陳果, 李孟杰, 余亮, 等. 基于脈沖耦合響應的IGBT故障檢測方法[J]. 電工技術學報, 2020, 35(15): 3235-3244.

Yao Chenguo, Li Mengjie, Yu Liang, et al. A condition detecting method for the IGBT module based on pulse coupling response[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(15): 3235-3244.

[11] 黃先進, 李鑫, 劉宜鑫, 等. 基于量化電壓并行比較的IGBT狀態(tài)監(jiān)測保護電路[J]. 電工技術學報, 2021, 36(12): 2535-2547.

Huang Xianjin, Li Xin, Liu Yixin, et al. Condition monitoring and protection circuit for IGBTs based on parallel comparison methods of quantized voltages[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2535-2547.

[12] Brauhn T J, Sheng Minhao, Dow B A, et al. Module-integrated GMR-based current sensing for closed loop control of a motor drive[C]//2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Montreal, Canada, 2015: 342-349.

[13] 姚芳, 胡洋, 李錚, 等. 基于結溫監(jiān)測的風電IGBT熱安全性和壽命耗損研究[J]. 電工技術學報, 2018, 33(9): 2024-2033.

Yao Fang, Hu Yang, Li Zheng, et al. Study on thermal safety and lifetime consumption of IGBT in wind power converters based on junction temperature monitoring[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(9): 2024-2033.

[14] 余瑤怡, 杜雄, 張軍. 基于熱時間常數(shù)的IGBT模塊熱疲勞老化監(jiān)測方法[J]. 電源學報, 2020, 18(1): 18-27.

Yu Yaoyi, Du Xiong, Zhang Jun. Thermal fatigue monitoring method for IGBT module based on thermal time constants[J]. Journal of Power Supply, 2020, 18(1): 18-27.

[15] He Yunze, Li Mengchuan, Meng Zhiqiang, et al. An overview of acoustic emission inspection and monitoring technology in the key components of renewable energy systems[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2021, 148: 107146(1-41).

[16] K?rkk?inen T J, Talvitie J P, Kuisma M, et al. Acoustic emission in power semiconductor modules—first observations[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(11): 6081-6086.

[17] K?rkk?inen T J, Talvitie J P, Kuisma M, et al. Acoustic emission caused by the failure of a power transistor[C]//2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Charlotte, NC, USA, 2015: 2481-2484.

[18] Müller S, Drechsler C, Heinkel U, et al. Acoustic emission for state-of-health determination in power modules[C]//2016 13th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices (SSD), Leipzig, Germany, 2016: 468-471.

[19] Davari P, Kristensen O, Iannuzzo F. Investigation of acoustic emission as a non-invasive method for detection of power semiconductor aging[J]. Microelectronics Reliability, 2018, 88-90: 545-549.

[20] Li Mengchuan, He Yunze, Meng Zhiqiang, et al. Acoustic emission-based experimental analysis of mechanical stress wave in IGBT device[J]. IEEE Sensors Journal, 2020, 20(11): 6064-6074.

[21] 何赟澤, 鄒翔, 李孟川, 等. 30V條件下功率MOSFET器件應力波理論與試驗研究[J]. 中國電機工程學報, 2021, 41(16): 5683-5693.

He Yunze, Zou Xiang, Li Mengchuan, et al. Theoretical and experimental study on stress wave of power MOSFET under 30 volts[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(16): 5683-5693.

[22] 王慶鋒, 吳斌, 焦敬品, 等. 一種聲發(fā)射傳感器的研制[J]. 壓電與聲光, 2007, 29(2): 179-181.

Wang Qingfeng, Wu Bin, Jiao Jingpin, et al. Design of a kind of acoustic emission sensor[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 2007, 29(2): 179-181.

[23] 王德石, 張愷. 壓電換能器設計原理[M]. 武漢: 武漢理工大學出版社, 2016.

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

國家自然科學基金面上項目（52077063）、長沙市科技計劃項目（kq2004006）、湖南省科技創(chuàng)新計劃項目科技人才專項（2018RS3039）和電力設備電氣絕緣國家重點實驗室開放基金項目（EIPE20202）資助。

2021-08-11

2021-10-19

耿學鋒 男，1998 年生，博士研究生，研究方向為電力電子裝備的故障檢測與狀態(tài)監(jiān)測。E-mail：gengxuefeng_hnu@163.com

何赟澤 男，1983 年生，博士，教授，研究方向為故障檢測與狀態(tài)監(jiān)測。E-mail：hejicker@163.com（通信作者）

（編輯 李冰）